DE69128317T2 - Fühlervorrichtung zum Nachweis von Mikroverschiebungen sowie Mikroskop- und Informationsverarbeitungseinrichtungen, die eine solche Vorrichtung verwenden - Google Patents

Fühlervorrichtung zum Nachweis von Mikroverschiebungen sowie Mikroskop- und Informationsverarbeitungseinrichtungen, die eine solche Vorrichtung verwenden

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft eine Fühlervorrichtüng der Mikroverschiebungs-Type zum Erfassen von Informationen, welche den umgekehrten piezoelektrischen Effekt zur positionellen Bestimmung eines Fühlers nutzt, sowie ein Atomarkraftmikroskop und eine Informationsverarbeitungseinrichtung, die eine solche Vorrichtung verwenden.
    • Stand der Technik
  • In den letzten Jahren wurde die Aufzeichnungskapazität von Daten in Aufzeichnungsvorrichtungen stark erweitert. Dabei war es erforderlich, die Größe der Aufzeichnungseinheit wesentlich zu verkleinern und deren Dichte noch weiter zu erhöhen. So hat z.B. die Aufzeichnungseinheit einer Digitaltondiskette zum optischen Aufzeichnen inzwischen eine Größe von etwa 1 µm² erreicht.
  • Andererseits ist kürzlich ein Tunneleffektrastermikroskop (nachfolgend TRM genannt) entwickelt worden, durch welches der Elektronenaufbau der Oberfläche einer Substanz und deren nähere Umgebung direkt betrachtet werden kann [G. Binning et al., Phys. Rev. Lett. 49, 57 (1982)], so daß es möglich wurde, Echtabstandsbilder mit hoher Auflösung zu messen, unabhängig davon, ob die Substanz eine Einkristallstruktur aufweist oder amorph ist. Da ein solches Mikroskop den Vorteil hat, daß die Beobachtungen bei geringer Leistung gemacht werden können und das Material keinen Schaden durch den Strom erleidet und daß es außerdem nicht nur in einem superhohen Vakuum, sondern auch an der Atmosphäre oder in einer Lösung betrieben und für verschiedene Materialien verwendet werden kann, ist ein großer Einsatzsbereich zu erwarten.
  • Die Erscheinung, daß bei Annäherung eines Metallfühlers (Fühlerelektrode) an eine elektrisch leitende Substanz bis auf einen Abstand von etwa 1 nm (10 Å) und einer angelegten Spannung ein elektrischer Strom zwischen beiden Elementen fließt, wird vom TRM genutzt. Der Strom reagiert sehr empfindlich auf eine Abstandsveränderung zwischen beiden Elementen und die Oberflächeninformation zum tatsächlichen Abstand kann durch Abtasten des Fühlers erhalten werden, um den Strom oder den durchschnittlichen Abstand zwischen beiden Elementen konstant zu halten. In diesem Fall beträgt das Auflösungsvermögen in intraplanarer Richtung 1 Å oder mehr.
  • Durch Anwendung des TRM-Prinzips und durch Verwendung eines Materials als Aufzeichnungsmittel, welches den Speichereffekt für Schaltkenngrößen der Spannung und des Stroms aufweist, z.B. in Form eines Dünnf ilms aus organischen Verbindungen, Chalkogeniden usw. der π-Elektronen-Type wird das Aufzeichnen von Informationen mit einer Aufzeichnungseinheit von 0,001 µm² oder weniger möglich.
  • Andererseits wird mit einem Atomarkraftmikroskop (nachfolgend AKM genannt) die dreidimensionale Form einer Oberfläche bei einem Auflösungsvermögen im Nanometerbereich oder darunter beobachtet, und zwar durch Erfassen der Kraft aus dem Wölben eines Auslegers (elastisches Glied) mit darauf befestigtem Fühler beim Heranführen des Fühlers an die Probenoberfläche bis auf einen Abstand von 1 Nanometer oder weniger und durch Abtasten des Fühlers bei dessen Bewegung auf der Probenoberfläche, wobei der Abstand zwischen Fühler und Probe so geregelt wird, daß die zwischen beiden wirkende Kraft konstant bleibt [Binning et al., Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986)].
  • Bei einem solchen AKM muß die Probe keine elektrische Leitfähigkeit wie beim Tunneleffektrastermikroskop (TRM) aufweisen, so daß isolierende Materialien, besonders Halbleiterresistoberflächen oder biologische Polymere usw. im Größenbereich von Atommolekülen untersucht werden können und sich daraus ein großes Anwendungsgebiet ergibt.
  • Zur Durchführung des Aufzeichnens und der Wiedergabe bei hoher Dichte durch Verwendung des genannten Aufzeichnungsmittels sind auch zahlreiche Vorrichtungen vorgeschlagen worden. Bei der im japanischen Patentdokument Nr. 62-281138 offenbarten Vorrichtung sind z.B. ein Wandler, ein Fühler zur Durchführung des Aufzeichnens und der Wiedergabe von Informationen und ein Fühlertreibermechanismus zum Regeln des Abstandes zwischen dem Aufzeichnungsmittel und dem Fühler durch Anwendung der Fotolithografie als integrale Bestandteile eines Siliziumchips geformt, um eine Integration des Aufzeichnungskopfes in der Vorrichtung zu erreichen.
  • Da die von einem Aufzeichnungskopf belegte Aufzeichnungsfläche in der µm-Größenordnung liegt, machen sich bei Verwendung des integrierten Aufzeichnungskopfes in einer Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung hunderte bis tausende von Aufzeichnungsköpfen erforderlich, welche außerdem so angeordnet werden müssen, daß die Relativbewegung zwischen dem Aufzeichnungsmittel und den vielen Aufzeichnungsköpfen in mm-Größe gewährleistet ist, um die Aufzeichnungskapazität oder die Aufzeichnungsgeschwindigkeit zu vergrößern. Wenn aber hunderte bis tausende von Aufzeichnungsköpfen gefertigt und in der Nähe des Aufzeichnungsmittels angeordnet werden und zwischen dem Aufzeichnungsmittel und den Aufzeichnungsköpfen eine Relativbewegung in der Größenordnung von Millimetern auftritt, sind folgende Probleme zu verzeichnen:
  • 1) Der Abstand zwischen dem Aufzeichnungsmittel und dem am äußersten Ende des Aufzeichnungskopfes angebrachten Aufzeichnungsfühler beträgt nur einige Nanometer. Da die Abweichungsgröße des Aufzeichnungskopfes etwa 1 µm beträgt, muß die Wellenbewegung oder Neigung-des Aufzeichnungsmittels und des Substrats bei etwa 1 µm gehalten werden, damit der Aufzeichnungskopf dem Aufzeichnungsmittel unter diesen Bedingungen folgen kann.
  • 2) Das Aufzeichnungsmittel und das Substrat haben neben den großen Wellenbewegungen im Bereich von mehreren µm auch Ungleichmäßigkeiten im nm-Bereich, welche bei der Fertigung des Aufzeichnungsbits oder des Substrats erzeugt werden. Wenn ein solches Aufzeichnungsmittel und ein solcher Aufzeichnungskopf um mehrere mm relativ zueinander bewegt werden, muß der Aufzeichnungskopf sowohl der Ungleichmäßigkeit im nm-Bereich als auch der Wellenbewegung im µm-Bereich folgen. Wenn deshalb beabsichtigt wird, sowohl der Ungleichmäßigkeit im nm-Bereich als auch der Wellenbewegung im µm-Bereich zu folgen, ist es schwierig, die Vorrichtungsgeschwindigkeit in Beziehung zur Eigenfrequenz zu erhöhen.
  • Das Dokument US-A-4520570 offenbart eine piezoelektrische X-Y-Positioniervorrichtung, welche zwei sich in orthogonale Richtungen erstreckende Bimorph-Paare einschließt. Das erste Bimorph-Paar ist an einem festen Rahmen angebracht, während das zweite Bimorph-Paar an einem Zwischenrahmen hängt, welcher am ersten Bimorph-Paar befestigt ist. Das Dokument US-A-4668865 offenbart ein Tunneleffektrastermikroskop, welches zwei Paare elektrostatisch gesteuerter Bänder einschließt, die so angeordnet sind, daß sie einem Mittelabschnitt die Durchführung von Bewegungen in X- und Y-Richtung ermöglichen. Ein dritter Satz Bänder ermöglicht die Bewegung in Z-Richtung.
  • Das Dokument WO89/07256 offenbart einen Großspeicher, in welchem eine Aufzeichnungsfläche und eine piezoelektrische, bimorphe Auslegerkonstruktion integriert sind.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit:
  • 1) die Bereitstellung einer Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type zur Informationserfassung, welche allen Wellenbewegungen im µm-Bereich usw. und der periodischen Oberflächenungleichmäßigkeit des Aufzeichnungsmittels oder Substrats im nm-Bereich folgen kann, und
  • 2) die Bereitstellung eines Tunneleffektrastermikroskops, eines Atomarkraftmikroskops und außerdem einer Informationsverarbeitungseinrichtung zum Aufzeichnen, zur Wiedergabe usw. von Informationen, bei denen durch Verwendung einer solchen Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type eine Verbesserung und Stabilisierung der Zugriffsgeschwindigkeit ermöglicht wird.
  • Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Informationsverarbeitungsgerät bereitgestellt, welches aufweist:
  • - eine Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type, welche einschließt:
  • - ein Substrat,
  • - ein erstes elastisches Bauelement, das vom Substrat gestützt wird,
  • - ein zweites elastisches Bauelement, das vom ersten elastischen Bauelement gestützt wird,
  • wobei das erste und das zweite elastische Bauelement aus elastischen Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen gefertigt sind, das zweite elastische Bauelement eine höhere Eigenfrequenz hat als das erste elastische Bauelement und jedes dieser beiden elastischen Bauelemente unabhängig vom anderen senkrecht zum Aufzeichnungsmittel verformbar ist,
  • - eine Treibervorrichtung zum Ansteuern eines Betätigungsgliedes, welches das erste elastische Bauelement senkrecht zum Aufzeichnungsmaterial verformt, und
  • - einen Fühler, welcher auf dem zweiten elastischen Bauelement dem Aufzeichnungsmaterial gegenüber angeordnet ist, wobei das Gerät außerdem eine Vorrichtung zum Erfassen einer Verschiebung des Fühlers und eine Steuervorrichtung zum Steuern der Treibervorrichtung auf der Grundlage des von der Erkennungsvorrichtung gesendeten Ausgangssignals aufweist, damit die zwischen dem Fühler und dem Aufzeichnungsmaterial auftretende winzige Kraft konstant gehalten wird.
  • Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Informationsverarbeitungsverfahren bereitgestellt, welches eine Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type nutzt und diese Fühlervorrichtung einschließt:
  • - ein Substrat,
  • - ein erstes elastisches Bauelement, das vom Substrat gestützt wird,
  • - ein zweites elastisches Bauelement, das vom ersten elastischen Bauelement gestützt wird,
  • wobei das erste und das zweite elastische Bauelement aus elastischen Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen gefertigt sind, das zweite elastische Bauelement eine höhere Eigenfrequenz hat als das erste elastische Bauelement und jedes dieser beiden elastischen Bauelemente unabhängig vom anderen senkrecht zum Aufzeichnungsmittel verformbar ist,
  • wobei das Verfahren das elastische Verformen des ersten elastischen Bauelementes und das Positionieren des auf dem zweiten elastischen Bauelement dem Aufzeichnungsmaterial gegenüber angeordneten Fühlers und außerdem folgende Schritte aufweist:
  • - Erfassen einer Verschiebung des Fühlers zum Erzeugen eines die Verschiebung betreffenden Ausgangssignals und
  • - Steuern des Betätigungsgliedes auf der Grundlage des Ausgangssignals, damit die zwischen dem Fühler und dem Aufzeichnungsmaterial erzeugte winzige Berührungskraft konstant gehalten wird.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird außerdem eine Informationsverarbeitungseinrichtung bereitgestellt, welche mit der genannten Informationserfassungsvorrichtung der Mikroverschiebungs-Type ausgerüstet ist.
  • Die Grundidee der Erfindung besteht somit darin, einen plattenförmigen Ausleger zu fertigen, der an einem Ende am Substrat befestigt ist, eine Konstruktion zu erzeugen, bei der ein elektrisch leitendes Elektrodenmaterial und ein piezoelektrisches Material, welches den umgekehrten piezoelektrischen Effekt verursacht, abwechselnd angeordnet sind, an der zweiten Stufe innerhalb der Auslegerebene oder an der Verlängerung von der Auslegerspitze außerdem einen Mikroausleger zu formen und am freien Ende des Mikroauslegers einen Informationserfassungsfühler anzuordnen, so daß beim Anlegen einer Spannung zwischen den Elektrodenelementen die nachfolgend beschriebenen Vorgänge beobachtet werden können.
  • Wenn am piezoelektrischen Material außen ein elektrisches Feld E erzeugt wird, tritt im piezoelektrischen Kristall eine Polarisation P ein, wodurch der Kristall einer feinen Verdrehung proportional zur Polarisation unterliegt. Bei einem konventionellen dielektrischen Material verläuft die Polarisierung P proportional zum elektrischen Feld E, so daß auch die Verdrehung dem Feld E proportional ist.
  • Durch Nutzung einer solchen Eigenschaft kann bei Erzeugung teilweise unterschiedlicher elektrischer Felder z.B. an piezoelektrischen Werkstoffen, die in Form von Platten vorhanden sind, ein Wölben der Platte als Ganzes ausgelöst werden.
  • Wenn am mehrstufigen Abschnitt innerhalb der Auslegerebene oder am vorderen Auslegerende ein zusätzlicher Ausleger angebracht wird und auch wenn zumindest nur der Grundausleger vorhanden ist, um durch den umgekehrten piezoelektrische Effekt das Wölben auszulösen, kann beim Auftreten des Wölbens in allen Auslegern die zwischen dem äußersten Ausleger und dem innersten Ausleger entstehende wölbung der Summe der jeweiligen Einzelwölbungen entsprechen.
  • Wenn dann der Abstand zwischen dem Aufzeichnungsmaterial und dem Fühler gesteuert wird, ist es mit einem solchen Aufbau möglich, der entsprechenden Unebenheit im nm-Bereich und der im µm-Bereich auftretenden Wellenbewegung des Aufzeichnungsmaterials und des Substrats zu folgen.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Figur 1 zeigt räumlich und in perspektivischer Darstellung eine Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die Figuren 2A und 2B zeigen den Verschiebungszustand des Auslegers der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung.
  • Figur 3 zeigt räumlich und in perspektivischer Darstellung eine Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die Figuren 4A und 4B zeigen den Verschiebungszustand des Auslegers der in Figur 3 dargestellten Vorrichtung.
  • Figur 5 zeigt räumlich und in perspektivischer Darstellung eine Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Figur 6 zeigt das Blockschaltbild einer Informationsverarbeitungseinrichtung, in welcher die Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type eingebaut ist.
  • Die Figuren 7A und 7B zeigen räumlich und in perspektivischer Darstellung bzw. in der Schnittansicht eine Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type in einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Figur 8 zeigt eine Informationsverarbeitungseinrichtung, in welcher die Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingebaut ist.
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN (Ausführungsform 1)
  • Figur 1 und die Figuren 2A und 2B zeigen schematisch den Aufbau der Fühlervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Figur 1 kennzeichnet das Bezugszeichen 100 ein Substrat, das Bezugszeichen 101 eine Isolierschicht aus SiO&sub2; oder Si&sub3;O&sub4; für die Fertigung des Auslegers, kennzeichnen die Bezugszeichen 102 - 107 und 112 - 118 Elektroden aus Au, Al usw. zum dreidimensionalen Ansteuern des Auslegers, die Bezugszeichen 109, 111 piezoelektrische Werkstoffe wie PZT, ZnO, AlN usw. zum Auslösen der Mikroverschiebungen durch Senden elektrischer Signale, kennzeichnet das Bezugszeichen 120 einen Informationserfassungsfühler zum Erfassen eines Stromes oder einer winzigen Kraft und das Bezugszeichen 119 einen Biegespalt zur Erzeugung eines Mikroauslegers in entgegengesetzter Richtung.
  • Figur 2A zeigt den Ausgangszustand des Auslegers 201 und Figur 2B den Zustand, wenn der entgegengesetzt zum Ausleger 201 wirkende Mikroausleger 202 durch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt verschoben wird.
  • Die Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type mit dem genannten Aufbau wird mit Bezug auf die Figuren 1, 2A und 2B nachfolgend im Detail beschrieben.
  • Zunächst werden aber die Fertigungsschritte dieser Fühlervorrichtung erläutert. Auf einem Si-Substrat (100) mit einer Dicke von 0,5 mm wurde nach dem CVD-Verf ahren ein Si&sub3;N&sub4;- Film mit einer Dicke von 0,15 µm erzeugt, um die Isolier schicht 101 zu erhalten. Die dafür verwendeten Ausgangsgase waren SiH&sub2;Cl&sub2;:NH&sub3; (1:9) und die Substrattemperatur betrug 800 ºC. Als nächstes wurde durch Fotolithografie und durch Trockenätzen bei Verwendung von CF&sub4;-Gas der Si&sub2;N&sub4;-Film 102 einer Bemusterungsbehandlung unterzogen, um die Form des in Figur 1 gezeigten Auslegers und durch den Biegeschlitz 119 den in entgegengesetzter Richtung wirkenden Mikroausleger zu erhalten. Danach wurde auf dem Auslegerabschnitt mit der Isolierschicht 101 ein 0,1 µm dicker Film aus Gold aufgesprüht und dieser dann zum Formen der Elektroden 102 - 107 durch Fotolithografie einer Bemusterungsbehandlung unterzogen. In diesem Fall haben die Elektroden die gleiche Form wie die in Figur 1 auf der oberen Oberfläche gezeigten Elektroden 112 - 117. Zur Verbesserung des Haftens zwischen Si&sub3;N&sub4; und Au kann auch ein Cr-Film erzeugt werden. Anschließend wurde als piezoelektrisches Material ein AlN-Film mit einer Dicke von 0,3 µm aufgesprüht. Bei Verwendung von Al als Zielelektrode wurde das Sprühen in einer Atmosphäre aus Ar und N&sub2; durchgeführt. Das Bemustern erfolgte durch Fotolithografie und Naßätzen mit einem Ätzmittel für Al. Danach wurden die genannten Schritte wiederholt, um abwechselnd piezoelektrisches Material und eine Elektrode zu formen und dadurch den in Figur 1 gezeigten bimorphen Aufbau Siliziumsubstrat-Si&sub3;N&sub4;-Au-AlN-Au-AlN-Au zu erhalten. Schließlich wurde W als Material für den Informationserfassungsfühler 120 in konischer Form aufgedampft.
  • Die Größe des auf diese Weise gefertigten Informationserfassungsfühlers betrug 150 µm in der Breite W und 600 µm in der Länge L. Die Größe des im Biegeschlitz 119 gefertigten Mikroauslegers in Gegenrichtung betrug 50 µm in der Breite und 300 µm in der Länge.
  • Wie bereits beschrieben, haben die Elektroden 112, 113, 114, 115, 116, 117 das gleiche Muster wie die entsprechenden Elektroden 102, 103, 104, 105, 106, 107 und die als Zwischenelektrode dienende Elektrode 110 ist auf der gesamten Oberfläche des Auslegers vorhanden.
  • Nachfolgend wird das Ansteuern der in Figur 1 gezeigten Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type beschrieben. Wenn zunächst an den aus AlN geformten piezoelektrischen Elementen 109, 111 keine Spannung anliegt, haben diese die in Figur 2A gezeigte Form. Dann wird bei Verwendung der Au- Elektrode 100 als Erde an die oberen Elektroden 113, 117 eine Minusvorspannung, an die unteren Elektroden 103, 107 eine Plusvorspannung, an die unteren Elektroden 104, 106 eine Minusvorspannung, an die oberen Elektroden 114, 116 eine Plusvorspannung, an die unteren Elektroden 102, 105 eine Plusvorspannung und an die oberen Elektroden 112, 115 eine Minusvorspannung angelegt. Durch Strecken der aus AlN gefertigten piezoelektrischen Elemente 109, 111 und Nutzung des bei einem solchen Spannungsabtasten erzeugten umgekehrten piezoelektrischen Effektes kann die in Figur 2B gezeigte Wölbungsverschiebung erhalten werden.
  • Auch wenn bei Verwendung der Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type gemäß der vorliegenden Erfindung die Abmessungen die gleichen sein können wie bei einem nach dem Stand der Technik gefertigten Ausleger, kann die Verschiebung die 1,5- bis 2-fache Größe der nach dem Stand der Technik erzielten Verschiebung haben. Der in der vorliegenden Ausführungsform verwendete Biegeschlitz 119 ist in der gezeigten Größe und Gestalt jedoch nicht auf diese beschränkt, sondern kann auch anders ausgeführt werden. Der Biegeschlitz kann z.B. gebirgsähnlich gestaltet sein.
    • (Ausführungsform 2)
  • Die Figuren 3, 4A und 4B zeigen die zweite Ausführungsform. In Figur 3 kennzeichnet das Bezugszeichen 100 ein Substrat, das Bezugszeichen 101 eine Isolierschicht, das Bezugszeichen 301 einen Ausleger, das Bezugszeichen 302 und das Bezugszeichen 303 Biegeschlitze, das Bezugszeichen 304 einen ersten Mikroausleger und das Bezugszeichen 305 einen im ersten Mikroausleger erzeugten, in Gegenrichtung zu diesem wirkenden zweiten Mikroausleger.
  • Obwohl in Figur 3 nicht dargestellt, sind das Isoliermaterial, das piezoelektrische Material und das Elektrodenmaterial wie in Figur 1 gezeigt als Film auf dem Si-Substrat 100 vorhanden und bilden so die bimorphe Struktur Si&sub3;N&sub4;-Au- AlN-Au-AlN-Au. Die Figuren 4A und 4B zeigen schematisch die Zustände vor und nach der Verschiebung gemäß Figur 3.
  • An die in Figur 3 nicht dargestellte Au-Elektrode wird nach dem gleichen Steuerverfahren wie im Beispiel 1 beschrieben eine Vorspannung angelegt, um das ebenfalls nicht dargestellte piezoelektrische AlN-Material zu verschieben und dadurch die Ausleger 301, 304, 305 zu wölben. Wie Figur 4B zeigt, kann bei Verwendung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit den gleichen Abmessungen wie der nach dem Stand der Technik gefertigte Ausleger die Verschiebung die 2- bis 3-fache Größe betragen.
  • Wie oben beschrieben, kann durch mehrstufigen Aufbau des Auslegers die Verschiebung noch größer sein als bei der Ausführungsform 1.
  • Bei den Beschreibungen wurde nur die Ausführungsform mit einem Ausleger 305 behandelt, jedoch können auch mehrere Ausleger 305 miteinander verbunden und auf gleiche Weise wie oben erwähnt verwendet werden.
    • (Ausführungsform 3)
  • Figur 5 zeigt die dritte Ausführungsform.
  • In Figur 5 kennzeichnet das Bezugszeichen 100 ein Substrat, das Bezugszeichen 101 eine Isolierschicht, das Bezugszelchen 501 einen Ausleger und das Bezugszeichen 502 einen auf dem Ausleger 501 durch zwei parallele Schlitze 503 gebildeten, in Gegenrichtung zu diesem wirkenden Mikroausleger 502. Das Bezugszeichen 120 kennzeichnet einen Informationserfassungsfühler. Durch eine solche Konstruktion wird es möglich, einen der beiden Mikroausleger mit dem Informationserfassungsfühler in Warteposition zu halten, so daß bei Ausfall eines Auslegers aus irgendwelchen Gründen die Reparatur sofort erfolgen kann.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform erzeugten die Parallelschlitze zwei Systeme, jedoch ist die Anzahl nicht auf zwei beschränkt, sondern kann auch größer sein.
    • (Ausführungsform 4)
  • Figur 6 zeigt ein Demonstrationsbeispiel.
  • Bei diesem Beispiel ist die Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type in einer Informationsverarbeitungseinrichtung zum Aufzeichnen und zur Wiedergabe montiert. In Figur 6 kennzeichnet das Bezugszeichen 600 einen Fühler zum Aufzeichnen und zur Wiedergabe von Informationen, das Bezugszeichen 601 einen Ausleger, 602 einen auf dem Ausleger 601 angeordneten Mikroausleger, 603 eine aus 8 Schichten Squarylium-bis-6-Octylazulen aufgebaute Aufzeichnungsschicht, welche durch Anwendung des OB-Verfahrens auf einem Graphitsubstrat den Speichereffekt für das Umschalten Span nung-Strom aufweist, 604 eine Elektrode, 605 ein Substrat, 606 eine XY-Verstärkerstufe, 607 ein Substrat, 608 eine in Längsrichtung (Z-Achse) wirkende Positionssteuervorrichtung, 609 eine Strom-Spannung-Umwandlungsschaltung zur Umwandlung des zwischen dem Fühler 600 und der Aufzeichnungs schicht 603 fließenden Tunnelstroms in eine Spannung, 610 einen logarithmischen Wandler, 611 einen Komparator, 612 einen Bandfilter zum Herausfiltern von Signalen nur mit spezifischen Frequenzen, 613 einen Verstärker , 614 einen Tiefpaßfilter zum Herausfiltern von Signalen bestimmter niedriger Frequenz, 615 einen Verstärker, 616 eine dreidimensionale Abtastschaltung zum dreidimensionalen Ansteuern des Auslegers 601 und des Mikroauslegers 602, 617 eine Treiberschaltung zum Ansteuern der in Längsrichtung wirkenden Positionssteuervorrichtung 608, 618 eine Impulsstromquelle zum Aufzeichnen und Lesen von Informationen auf bzw. von der Aufzeichnungsschicht 603 und 619 eine Schaltung zum Ansteuern der XY-Verstärkerstufe 606 für die Durchführung sehr grober Bewegungen.
  • Als nächstes wird mit den beschriebenen Vorrichtungen und Materialien die Aufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung hoher Dichte an der Atmosphäre betätigt. Zur Regelung des Abstandes zwischen dem Fühler 600 und der Aufzeichnungsschicht 603 auf einen konstanten Wert von mehreren nm (Nanometern), wird das elektrische Rückkopplungssignal, welches die Strom-Spannung-Umwandlungsschaltung 609, den logarithmischen Wandler 610, den Komparator 611, den Bandfilter 612, den Tiefpaßfilter 614, die Verstärker 613, 615 durchläuft, auf den Ausleger 601 und den Mikroausleger 602 übertragen. Als Positionserkennungsmittel zwischen dem Fühler 600 und der Aufzeichnungsschicht 603 diente der Tunnelstrom. Unter dem beschriebenen Zustand können das Aufzeichnen und die Wiedergabe vorgenommen werden. Das Aufzeichnen erfolgt durch Bewegen der dreidimensionalen Abtastschaltung 616 an irgendeine gewünschte Stelle mittels der XY- Verstärkerstufe und der Schaltung für sehr grobe Bewegungen 619 und durch Anlegen einer von der Impulsstromquelle 618 erzeugten Spannung von 2 V bei einer Impulsbreite von 1 µs, welche die Spannung von 1,5 V als Grenzspannung für das Auftreten des elektrischen Speichereffektes zwischen dem Fühler 600 und der Aufzeichnungsschicht 603 übersteigt. Als Ergebnis konnte der elektrische An-Zustand (der Zustand, bei welchem Strom um 3 Ziffern oder mehr im Vergleich zum Aus-Zustand fließt) auf der Aufzeichnungsschicht 603 geschrieben werden. Es war möglich, die Aufzeichnungsposition abzutasten und den An-Zustand zu reproduzieren.
  • Bei diesem Beispiel wird als Aufzeichnungsmaterial Squarylium-bis-6-Oktylazulene verwendet, das nach dem LE-Verfahren in 8 Schichten auf einem Graphitsubstrat aufgetragen worden ist, doch als Aufzeichnungsmaterial (Aufzeichnungsschicht) kann auch jedes andere Material verwendet werden, welches das Aufzeichnen und Löschen ermöglicht und auch das Beschichtungsverfahren ist keineswegs auf das genannte Verfahren beschränkt.
  • Bei der Durchführung des Aufzeichnens und der Wiedergabe wird die XY-Stufe in der Größenordnung von Millimetern bewegt und in einem solchen Fall besteht die Möglichkeit, daß der Fühler 600 aufgrund der vorhandenen Ungleichmäßigkeit und Wellenbewegung der Aufzeichnungsschicht 603 die Elektrode 604 und das Substrat 605 berührt, doch diese Berührung muß durch Senden eines elektrischen Rückkopplungssignals an den Ausleger 601 oder den Mikroausleger 602 verhindert werden.
  • Zu diesem Zeitpunkt wird das elektrische Rückkopplungssignal durch Teilen des vom Komparator 611 kommenden Signals in zwei Signale erzeugt, um der großen Wellenbewegung des Substrats 605 mit einer Frequenz von einigen 10 Hz und der Ungleichmäßigkeit der Elektrode 604 von einigen 100 Hz zu folgen, wobei das Signal mit einer Frequenz von einigen 10 Hz durch den Tiefbaßfilter 614 an den Ausleger 601 und das Signal mit einer Frequenz von einigen 100 Hz durch den Bandfilter 612 zum Mikroausleger 602 gesendet wird.
  • Somit wird durch Trennen des Signals zum unabhängigen Betätigen des Auslegers 601 und des Mikroauslegers 602 eine äußerst schnelles Abtasten möglich, wodurch die Zugriffsgeschwindigkeit der Invormationsverarbeitungseinrichtung in der vorliegenden Ausführungsform verbessert werden kann.
  • Da bei den beschriebenen Ausführungsformen und bei dem genannten Beispiel das Si&sub3;N&sub4; zur Erzeugung der Isolierschicht 101, das AlN als piezoelektrisches Material und auch das Au als Elektrodenmaterial sich voneinander unterscheidende lineare Ausdehnungskoeffizienten und Elastizitätsmodule haben und wenn der Ausleger eine aus diesen Elementen erzeugte Schichtstruktur aufweist, kann das Wölben des Auslegers manchmal in Abhängigkeit von Temperaturänderungen auftreten. Aus diesem Grunde erhalten der Ausleger und der Mikroausleger geeignete Dimensionen (Länge usw.), um den Fühler auch hinsichtlich solcher Wärmedehnungen oder -schrumpfungen in die gewünschte Position zu bringen.
    • (Ausführungsform 5)
  • Die Figuren 7A, 7B und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform besteht die Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type aus einem zweistufigen Ausleger, d.h. aus dem mit einem Betätigungsglied ausgerüsteten Ausleger 701 und dem Mikroausleger 702, und der Fühler 703 zum Aufzeichnen und zur Wiedergabe von Informationen ist an der Spitze des Mikroauslegers 702 befestigt. Bei der in Figur 7B gezeigten Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type ist auf dem Si-Substrat mit der darauf aufgetragenen Si&sub3;N&sub4;-Schicht 705 als zweistufigen Ausleger eine Au-Verdrahtung 706 angeordnet, welche die Aufzeichnungssignale auf den Fühler 703 überträgt, und auf dieser wiederum sind eine Si&sub3;N&sub4;-Schicht 707 als Isolierschicht und die aus drei Schichten, d.h. aus einer Au-Schicht 708 als unimorphes Betätigungsglied, aus einer ZnO-Schicht 709 und einer Au-Schicht 710 zusammengesetzte erste Auslegerstufe angeordnet.
  • Die Fertigungsstufen einer solchen Vorrichtung sind die gleichen wie bei der Ausführungsform 1 und nach der Erzeugung der Si&sub3;N&sub4;-Schicht auf dem Si-Substrat (100) mit einer Fumdicke von 0,5 µm nach dem CVD-Verfahren wird auf dieser durch Aufsprühen eine Au-Verdrahtung mit einer Filmdicke von 0,1 µm erzeugt. Dann wird nach dem Bemustern des Auslegers der zweiten Stufe durch fotolithografische Schritte auf dem Ausleger der ersten Stufe erneut eine Si&sub3;N&sub4;-Schicht mit einer Dicke von 0,1 µm nach dem CVD-Verfahren erzeugt und durch Wiederholung der Bemusterung werden nacheinander eine 0,1 µm dicke Au-Schicht, eine 0,3 µm dicke ZnO-Schicht und eine 0,1 µm dicke Au-Schicht aufgetragen. Dann wird an der Spitze des Auslegers der zweiten Stufe durch Elektronenstrahlverdampfen ein elektrisch leitendes Material wie Kohlenstoff usw. abgelagert und durch anisotropes Ätzen mit KOH von der Substratrückseite aus schließlich der Ausleger geformt.
  • Bei den nach den genannten Schritten erzeugten Auslegern der Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type hatte der mit einem Betätigungsglied ausgerüstete Ausleger eine Rechteckform mit einer Breite von 150 µm und einer Länge von 600 µm und der Mikroausleger eine V-Form mit einer Breite von 20 µm und eine Länge von 100 µm.
  • Als nächstes wird anhand der Figur 8 eine Ausführungsform beschrieben, bei welcher die Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Informationsverarbeitungseinrichtung zur Durchführung des Aufzeichnens und der Wiedergabe verwendet wird. Durch Annähern des Fühlers 802 mit der Spitze an das Aufzeichnungsmaterial 801 bis auf einen Abstand von 1 Nanometer oder weniger erfolgt das relative Abtasten in seitlicher Richtung. Hierbei wird der vom Laser 803 erzeugte Lichtstrahl auf die Rückseite des mit dem Fühler 802 ausgerüsteten Mikroauslegers gerichtet und die Position des reflektierten Lichstrahlpunktes vom zweigeteilten Sensor 805 erfaßt. Wenn die Größe der zwischen dem Aufzeichnungsmaterial 801 und dem Fühler 802 wirkenden winzigen Kraft sich ändert, verändert sich die Wölbung des Mikroauslegers und bewirkt eine Winkelveränderung des reflektierten Lichtstrahles, wodurch vom zweigeteilten Sensor 805 die Veränderung in der Lichtpunktposition erfaßt wird. Um aber die Lichtpunktposition und damit die Größe der zwischen dem Aufzeichnungsmaterial 801 und dem Fühler 802 wirkenden winzigen Kraft konstant zu halten, wird die Wölbungsverschiebung des mit dem Betätigungsglied ausgerüsteten Auslegers 806 gesteuert. Aus der Größe des Steuersignais kann die Steuergröße für die vertikale Bewegung des Fühlers 802 zum Abtasten der Oberflächenform des Aufzeichnungsmaterials 801 bei konstant gehaltener Kraft zwischen diesem und dem Fühler bestimmt werden. Dabei beträgt die Eigenfrequenz für die Wölbungsverschiebung des mit dem Betätigungsglied ausgerüsteten Auslegers 806 etwa 1 kHz, die Eigenfrequenz für das Wölben des Mikroauslegers 804 dagegen 50 kHz, so daß beim Abtasten des Fühlers 802 während seiner Bewegung auf der Substratoberfläche über die Wölbungsverschiebung des mit dem Betätigungsglied ausgerüsteten Auslegers 806 für eine große Wellenbewegung die Neigung 807 des Aufzeichnungsmatenais in Mikronengröße und über das Wölben des Mikroauslegers 804 für das Aufzeichnungsbit 808 im Nanometerbereich die Unebenheit 809 im Substrat erfaßt wird. Durch Betätigen des mit dem Betatigungsglied 806 ausgerüsteten Auslegers und des Mikroauslegers 804 unabhängig voneinander wir somit ein Hochleistungsabtasten möglich, wodurch die Zugriffsgeschwindigkeit der Informationsverarbeitungseinrichtung der vorliegenden Ausführungsform erhöht werden kann.
  • Nachfolgend werden das Aufzeichnen und die Wiedergabe beschrieben. Als Aufzeichnungsmaterial 801 wird z.B. ein Material verwendet, welches eine elektrische Leitfähigkeit wie Au mit einer (111)-Ebene hat, epitaxisch auf einem Glimmermineral gewachsen ist und im Unteranometerbereich eine flache Form hat. Durch Annäherung des Fühlers an das Substrat wie oben beschrieben und durch Anlegen einer Impulsspannung von 5 V bei einer Impulsfolge von 100 µs können Bits mit konvexer Form und einem Durchmesser von etwa nm erzeugt werden. Als Aufzeichnungsverfahren kann anders als bei den erwähnten Beispielen jedes Verfahren angewendet werden, welches die Oberflächenform des Aufzeichnungsmaterials verändert, und es können auch andere Materialien verwendet und Bits mit konkaver Form erzeugt werden. Wenn im Wiedergabemodus der Fühler sich dem Aufzeichnungsbit nähert, wird die Wölbung des Mikroauslegers, welche die zwischen dem Bit und dem Fühler auf dem Mikroausleger wirkende winzige Kraft hervorruft, durch die positionelle Ablenkung des reflektierten Lichtstrahlpunktes auf dem zweigeteilten Sensor erfaßt und aus dieser das Wiedergabesignal erzeugt. Eine solche Wiedergabe wird als möglich angesehen, weil der mit dem Betätigungsglied ausgerüstete Ausleger den Signalen mit hoher Frequenz wie bei einem Aufzeichnungsbit usw. nicht folgt.
  • Wie bereits beschrieben, nutzt die Fühlervorrichtung der vorliegenden Erfindung den umgekehrten piezoelektrischen Effekt und kann auch durch Fertigung von Mehrstufenauslegern innerhalb der Auslegerebene oder am vorderen Auslegerende eine größere Wölbung gewährleisten.
  • Wenn die Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Atomarkraftmikroskop oder in einer Invormationsverarbeitungseinrichtung zum Aufzeichnen und zur Wiedergabe hoher Dichte verwendet wird, ermöglicht ein Mehrstufenausleger separate Betätigungsvorgänge, wodurch die Zugriffsgeschwindigkeit gegenüber einer nach dem Stand der Technik gefertigten Vorrichtung erhöht werden kann und dadurch ein mit hoher Geschwindigkeit und stabil arbeitendes Atomarkraftmikroskop oder eine Hochleistungs informationsverarbeitungsvorrichtung bereitgestellt wird.

Claims (6)

1. Informationsverarbeitungseinrichtung, welche aufweist:
- eine Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type, welche einschließt:
- ein Substrat (704),
- ein erstes elastisches Bauelement (701; 806), welches vom Snbstrat (704) gestützt wird,
- ein zweites elastisches Bauelement (702; 804), welches vom ersten elastischen Bauelement (701; 806) gestützt wird, wobei das erste und das zweite elastische Bauelement (701; 806; 702; 804) aus elastischen Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen gefertigt sind und das zweite elastische Bauelement (702; 804) eine höhere Eigenfrequenz hat als das erste elastische Bauelement (701; 806) und jedes elastische Bauelement (701; 806; 702; 804) senkrecht zum Aufzeichnungsmittel (801) unabhängig vom anderen verformbar ist,
- eine Treibervorrichtung (615) zum Ansteuern eines Betätigungsgliedes, welches das erste elastische Bauelement (701; 806) senkrecht zum Aufzeichnungsmaterial (801) elastisch verformt, und
- einen Fühler (703; 802), welcher auf dem zweiten elastischen Bauelement (702; 804) dem Aufzeichnungsmaterial (801) gegenüber angeordnet ist,
wobei die Informationsverarbeitungseinrichtung außerdem auf weist:
- eine Erkennungsvorrichtung (803, 805) zum Erkennen einer Verschiebung des Fühlers (703; 802) und
- eine Steuervorrichtung (611, 614) zum Steuern der Treibervorrichtung (615) auf der Grundlage des von der Erkennungsvorrichtung (803, 805) gesendeten Ausgangssignals, damit die zwischen dem Fühler (703; 802) und dem Aufzeichnungsmaterial (801) auftretende winzige Berührungskraft konstant gehalten wird.
2. Informationsverarbeitungseinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei dieses Einrichtung eine Wiedergabevorrichtung (612, 620, 621) aufweist, welche die auf dem Aufzeichnungsmaterial (801) aufgezeichneten Informationen auf der Grundlage des von der Erkennungsvorrichtung (803, 805) gesendeten Ausgangssignals wiedergibt.
3. Informationsverarbeitungseinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, welche eine Aufzeichnungsvorrichtung zum Aufzeichnen von Informationen auf dem Aufzeichnungsmaterial (801) einschließt.
4. Informationsverarbeitungsverfahren, welches eine Fühlervorrichtung der Mikroverschiebungs-Type aufweist und diese Fühlervorrichtung einschließt:
- ein Substrat (704),
- ein erstes elastisches Bauelement (701; 806), welches vom Substrat (704) gestützt wird,
ein zweites elastisches Bauelement (702; 804), welches vom ersten elastischen Bauelement (701; 806) gestützt wird, wobei das erste und das zweite elastische Bauelement (701; 806; 702; 804) aus elastischen Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen gefertigt sind und das zweite elastische Bauelement (702; 804) eine höhere Eigenfrequenz hat als das erste elastische Bauelement (701; 806) und jedes elastische Bauelement (701; 806; 702; 804) senkrecht zum Aufzeichnungsmittel (801) unabhängig vom anderen verformbar ist, wobei das Verfahren das elastische Verformen des ersten elastischen Bauelementes (701; 806) und das Positionieren des auf dem zweiten elastischen Bauelement (702; 804) dem Aufzeichnungsmaterial (801) gegenüber angeordneten Fühlers (703; 802) und außerdem folgende Schritte einschließt:
- Erkennen einer Verschiebung des Fühlers (703; 802) zum Erzeugen eines die Verschiebung betreffenden Ausgangssignals und
- Steuern des Betätigungsgliedes auf der Grundlage des Ausgangssignals, damit die zwischen dem Fühler (703; 802) und dem Aufzeichnungsmaterial erzeugte winzige Berührungskraft konstant gehalten wird.
5. Informationsverarbeitungsverfahren gemäß Anspruch 4, welches die Wiedergabe der auf dem Aufzeichnungsmaterial (801) aufgezeichneten Informationen auf der Grundlage des beim Erkennungsvorgang erzeugten Ausgangssignals einschließt.
6. Informationsverarbeitungsverfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, welches das Aufzeichnen der Informationen auf dem Aufzeichnungsmaterial (801) einschließt.
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