DE69218866T2

DE69218866T2 - Mechanismus zum parallelen Halten einer Fläche und Apparat zur Verwendung eines solchen Mechanismus

Info

Publication number: DE69218866T2
Application number: DE69218866T
Authority: DE
Inventors: Katsunori C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Hatanaka; Yutaka C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Hirai; Masaru C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Nakayama; Hiroyasu C/O Canon Kabushiki Kaish Ohta-Ku Tokyo Nose; Yasuhiro C/O Canon Kabushiki Kaish Ohta-Ku Tokyo Shimada; Osamu C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Takamatsu; Takayuki C/O Canon Kabushiki Kaish Ohta-Ku Tokyo Yagi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-09-24
Filing date: 1992-09-23
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2012-09-24
Also published as: US5554851A; JP3184619B2; ATE151523T1; JPH05225620A; EP0534406B1; EP0534406A1; DE69218866D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Parallelebenen-Haltemechanismus, der einen Parallelzustand halten kann, und eine Rastertunnelstrom-Erfassungsvorrichtung bzw. eine Speichervorrichtung unter Verwendung eines solchen Mechanismus.
Auf den Gebieten des Rastertunnelmikroskops (STM = Scanning Tunneling Microscope) als technischem Gebiet der Erfindung und dem von Speichereinrichtungen unter Nutzung des Prinzips des STM stellt das Verfahren des Zugriffs einer Sonde auf ein zu messendes Objekt oder ein Aufzeichnungsmedium ein sehr wichtiges Verfahren dar. Insbesondere muß ein Abstand zwischen der Sonde und dem zu messenden Objekt oder dem Aufzeichnungsmedium in der Größenordnung von einigen Angström bis zu einigen zehn Angström gesteuert werden und es ist auch eine Präzision von einigen Angström bis zu einigen zehn Angström bezüglich der Positionierung in der Ebene nötig. Da der Abstand zwischen der Sonde und dem Meßobjekt oder dem Aufzeichnungsmedium sich in Abhängigkeit vom Oberflächenzustand des Meßobjekts oder des Aufzeichnungsmediums ändert, ist es erforderlich, eine derartige Steuerung auszuführen, daß die Sonde in der Richtung senkrecht zum Abstand oder der Mikrooberfläche o.ä. sich annähern kann. Zu diesem Zweck wird ein Manipulator, der einen Feinvorschubvorgang eines Probentischs, auf dem das Aufzeichnungsmedium angeordnet worden ist, benutzt. Um die Sonde zu neigen, wird ein piezoelektrischer Aktuator vom zylindrischen Typ (ein piezoelektrisches Rohr) mit der Sonde verbunden und gesteuert.
Fig. 1 zeigt einen Parallelebenen-Haltemechanismus unter Verwendung des piezoelektrischen Rohres, wie er üblicherweise verwendet wird. Der Radius des Rohres 1 wird zu 16,5 mm, die Dicke zu 1,5 mm und die Länge zu 20 mm gewählt. Durch Anlegen von Spannungen von 10 V an zwei von vier um das Rohr 1 angeordneten Elektroden kann ein mit dem piezoelektrischem Rohr 1 verbundenes plattenförmiges Element 2 um etwa 1,4 x 10&supmin;&sup6; rad geneigt werden.
Beim oben erwähnten Beispiel gibt es jedoch insbesondere im Hinblick auf die Anwendung bei einer Speichervorrichtung die Nachteile, daß es schwierig ist, die Sonde und das Aufzeichnungsmedium oder den Aufzeichnungskopf integriert aufzubauen, daß die Miniaturisierung schwierig ist, daß der Fall auftritt, daß es zugunsten der Integration erforderlich ist, einen IC für eine Ansteuerschaltung wegzulassen, daß die Herstellungsschritte schwierig sind o.ä. Bezüglich des STM gibt es andererseits Probleme wie daß, daß der Sondenkopfabschnitt groß ist und daß es schwierig ist, den IC für die Ansteuerschaltung zu integrieren.
Die WO-A-89/12830 beschreibt einen mikromechanischen Beschleunigungsmesser. Dieser Beschleunigungsmesser hat ein Gewicht, das zwischen ein Paar von Steuerelektroden eingeschlossen ist und von einer rahmenartigen Tragstruktur über E-förmige Blattfedern gehalten wird. Dieser bekannte Aufbau ist nicht zur Ausgleichung der Position von beispielsweise einer Sonde eines STM derart geeignet, daß die Sonde parallel zu einem Aufzeichnungsmedium läuft, weil das Gewicht bei diesem bekannten Aufbau durch das Elektrodenpaar und den Tragrahmen hermetisch umgeben ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die erwähnten Nachteile zu beseitigen und einen Parallelebenen-Haltemechanismus, mit dem leicht eine Ebenen-Parallelstellung erreicht werden kann, dessen Größe gering ist und dessen Herstellung einfach ist, und weiterhin eine Rastertunnelstrom-Erfassungsvorrichtung sowie eine Speichereinrichtung bereitzustellen, die einen solchen Mechanismus benutzen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 hinsichtlich des Parallelebenen-Haltemechanismus, durch die Merkmale des Anspruchs 7 hinsichtlich der Rastertunnelstrom- Erfassungsvorrichtung und durch die Merkmale von Anspruch 8 hinsichtlich der Speichervorrichtung gelöst.
Bei dem Parallelebenen-Haltemechanismus mit dem erwähnten Aufbau und der Speichervorrichtung unter Nutzung eines solchen Mechanismus werden die Spannungen an die gegenüberliegenden Elektroden angelegt, und der Abstand zwischen dem flachen plattenförmigen Gewicht und der Grundplatte wird gesteuert, wodurch die Bezugsfläche des Objekts beliebig parallel zu einer externen Bezugsfläche gehalten wird. Andererseits wird das anzutreibende bzw. anzusteuernde Objekt oder das Aufzeichnungsmedium, das mit der Grundplatte verbunden ist, dreidimensional bewegt, wobei die Lagebeziehung mit einem Führerstift bzw. einer Tastnadel eingestellt und der Parallelzustand beliebig aufrechterhalten wird.
Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines herkömmlichen Parallelebenen-Haltemechanismus,
Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Parallelebenen-Haltemechanismus,
Fig. 3 ist eine Querschnittsdarstellung einer Speichervorrichtung unter Verwendung des Parallelebenen-Haltemechanismus,
Fig. 4 ist eine Querschnittsdarstellung eines modifizierten Aufbaus der ersten Ausführungsform des Parallelebenen-Haltemechanismus,
Fig. 5 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des Parallelebenen-Haltemechanismus,
Fig. 6 ist ein Blockschaltbild einer Steuerschaltung des Parallelebenen-Haltemechanismus,
Fig. 7 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer zweiten Ausführungsform des Parallelebenen-Haltemechanismus,
Fig. 8 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer dritten Ausführungsform des Parallelebenen-Haltemechanismus,
die Figuren 9A bis 9D sind Darstellungen, welche ein Verfahren zur Steuerung der Position in Richtung der z-Achse bei der dritten Ausführungsform des Parallelebenen-Haltemechanismus zeigen,
Fig. 10 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer vierten Ausführungsform des Parallelebenen-Haltemechanismus,
Fig. 11 ist ein Blockschaltbild einer Speichervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform unter Verwendung des Parallelebenen-Haltemechanismus und
Fig. 12 ist ein Blockschaltbild einer STM-Vorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform unter Verwendung des Parallelebenen-Haltemechanismus.
Die Erfindung wird nachfolgend detailliert auf der Grundlage der in den Darstellungen gezeigten Ausführungsformen beschrieben.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsdarstellung des Grundaufbaus eines Parallelebenen-Haltemechanismus. Der Mechanismus 11 hat einen Aufbau, bei dem ein Antriebselement 12 und eine Grundplatte 13 in einem Randverbindungsabschnitt 14 verbunden sind. Das Antriebselement 12 weist einen Tragabschnitt 15, ein flaches plattenförmiges Gewicht 16 und aus elastischen Elementen gebildete Träger 17 auf. Eine ebene flächige Elektrode 18 ist auf der unteren Oberfläche des Gewichts 16 gebildet. Weiterhin sind Elektroden 19a und 19b auf der Grundplatte 13 derart gebildet, daß sie der Elektrode 18 gegenüberliegen. Das Antriebselement 12 ist hauptsächlich aus einem monokristallinen Si-Material gefertigt. Der Träger 17 als elastisches Element ist aus einem Material wie Si, SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4; o.ä. gefertigt.
Ein parallel zu haltendes Objekt 20 ist auf dem flachen plattenförmigen Gewicht 16 angebracht. Die Abstands- und Lagebeziehung zwischen dem Objekt 20 und einem Objekt 21 in einer räumlich entfernten Position kann beliebig gesteuert werden. Das parallel zu haltende Objekt 20 kann auch mit dem oberen Abschnitt des flachen plattenförmigen Gewichts 16 verbunden sein - wie in Fig. 2 dargestellt -, oder es kann auch einen Aufbau haben, bei dem es zusammenhängend mit dem Gewicht 16 gebildet ist.
Die Betätigung des Mechanismus 11 wird durch eine an die Elektrode 18, die am unteren Abschnitt des Gewichts 16 befestigt ist, angelegte Spannung und durch die an die feststehenden Elektroden 19a und 19b auf der Grundplatte 13 angelegten Spannungen gesteuert. Beispielsweise werden durch Verbinden der Elektrode 18 mit Masse und durch Anlegen einer Spannung +V an die Elektrode 19a und einer Spannung -V an die Elektrode 19b eine elektrostatische Anziehungskraft und eine Abstoßungskraft durch Ladung erzeugt, die in der Elektrode 18 erzeugt werden. Das Gewicht 16 bewegt sich derart, daß die Lücke über der Elektrode 19a sich verbreitert, und daß die Lücke über der Elektrode 19b sich verengt. Der Antriebsabschnitt 12 und die Grundplatte 13 sind so verbunden, daß die Lücke in einem Gleichgewichtszustand, in dem keine Spannung angelegt ist, in einem Bereich zwischen 0,5 und 20 µm liegt. In einem Zustand, in dem die elektrostatische Anziehungskraft und die Abstoßungskraft nach Anlegen der Spannungen wirken, bewegt sich das Gewicht 16 von der Position im Gleichgewichtszustand infolge der Biegung oder Verlängerung des Trägers 17. Damit kann das auf das Gewicht 16 gebrachte Objekt 20 aus der Position im Gleichgewichtszustand, die parallel mit der Grundplatte 13 ist, beispielsweise in die in Fig. 2 dargestellte Position bewegt und gesteuert werden.
Das flache plattenförmige Gewicht 16 wird über eine Mehrzahl von Trägern 17, die aus elastischen Elementen bestehen, am peripheren Halteabschnitt 15 gehalten und trägt an der unteren Fläche die Elektrode 18. Die Elektroden 19a und 19b sind auf der oberen Fläche der Grundplatte 13 so gebildet, daß sie der Elektrode 18 gegenüberliegen. Der periphere Verbindungsabschnitt 14 der Grundplatte 13 ist am Halteabschnitt 15 befestigt. Das Gewicht 16 wird durch die elektrostatischen Kräfte der Spannungen angetrieben, die an die Elektroden 18, 19a und 19b angelegt werden. Elektrostatische Kapazitäten zwischen den Elektroden 18, 19a und 19b werden erfaßt, und es wird eine Regelung derart ausgeführt, daß die obere Oberfläche des am Gewicht 16 angebrachten Objekts 20 parallel zur unteren Oberfläche des externen Objekts 21 liegt. Auf diese Weise werden Neigungen der Objekte 20 und 21 korrigiert.
Wie oben beschrieben, umfaßt der Parallelebenen-Haltemechanismus der vorliegenden Erfindung: den Aufbau mit den aus elastischen Elementen bestehenden Trägern im Randabschnitt des flachen plattenförmigen Gewichts, die gegenüberliegend dem Gewicht angeordnete Grundplatte und die auf beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Gewichts und der Grundplatte angeordneten Elektroden, wobei durch Anlegen der Spannungen an die Elektroden der Abstand zwischen dem Gewicht und der Grundplatte gesteuert und der Aufbau und/oder das anzutreibende Objekt, das mit der Grundplatte verbunden ist, bewegt wird/werden, wodurch die Bezugsfläche des Objekts parallel zu einer vorbestimmten Bezugsfläche liegt.
Die erwähnte Regelung bzw. Steuerung mit Rückkopplung ist auf solche Weise aufgebaut, daß Spannungen an die am Gewicht und der Grundplatte vorgesehenen Elektroden angelegt werden und eine Änderung der Impedanz infolge einer Änderung der Kapazität durch eine Veränderung der Lücke bewirkt wird, daß eine Änderung in der Teilspannung der Spannung zwischen den Elektroden als Signal extrahiert und rückgekoppelt wird, wodurch die Einwirkung einer elektrostatischen Kraft auf die Elektroden ermöglicht wird, so daß das Gewicht und die Grundplatte nicht voneinander abweichen.
Die erwähnte Regelung kann auch auf solche Weise aufgebaut sein, daß eine von mehreren Spulen, die durch die am Gewicht der Grundplatte angeordneten Elektroden gebildet sind, ein Strom zugeführt, eine Änderung der Impedanz infolge einer Veränderung der Lücke durch die andere der Spulen verursacht und eine Änderung im Strom zwischen den Elektroden als Signal extrahiert und zurückgeführt wird, wodurch die Einwirkung einer elektromagnetischen Kraft auf die Elektroden ermöglicht wird, so daß das Gewicht und die Grundplatte nicht voneinander abweichen.
Das nachfolgende Verfahren wird als Verfahren zur Ausbildung des oben erwähnten Parallelebenen-Haltemechanismus verwendet. Der Antriebsabschnitt 12 nutzt z.B. einen Si-Einkristall als Grundmaterial. Eine Strukturierungsmaske des Abschnitts, der das Gewicht 16 bilden soll, wird durch ein geeignetes Muster von der Rückseite eines Si-Wafers, der eine spiegelebene Vorder- und Rückseite hat, her gebildet. Unter Verwendung eines anisotrop wirkenden Ätzmittels für Si, wie etwa KOH o.ä., wird in Übereinstimmung mit der Strukturierungsmaske ein Ätzen ausgeführt, wodurch der Antriebsabschnitt 12 einer dreidimensionalen Struktur mit dem gewünschten Gewicht 16 ausgebildet wird. In diesem Fall wird die Dicke des Teils des Trägers 17 über ein konzentrationsabhängiges Ätzen gesteuert. Bezüglich der Grundplatte 13 wird ebenfalls, auf ähnliche Weise, wie für den Antriebsabschnitt 12, eine Maske gebildet und ein Ätzen unter Verwendung der Maske ausgeführt, so daß eine gewünschte konkave Struktur ausgebildet werden kann. Was die Elektroden 18, 19a und 19b angeht, so werden durch Mustererzeugung und Ätzen von Elektrodenmaterialien, die auf die gesamte Fläche des Antriebsabschnitts 12 und der Grundplatte 13 durch Aufdampfen abgeschieden worden sind, die Elektroden mit gewünschter Gestalt gebildet. Elektrodenverdrahtungen zur Zuleitung werden direkt von den Elektroden 19a und 19b der Grundplatte 18 über den Randabschnitt 14 nach außen geführt. Eine Elektrodenverdrahtung zum Ableiten wird aus der Elektrode 18 des Gewichts 16 über einen Abschnitt des Trägers 17 zum Halteabschnitt 15 geführt und kann mit der Umgebung verbunden werden.
Im Falle einer Anwendung des erwähnten Parallelebenen-Haltemechanismus auf eine Speichervorrichtung - wie in Fig. 3 gezeigt - wird das Objekt 10 als Aufzeichnungsmedium und das Objekt 21 als Aufzeichnungskopf mit einer Mehrzahl von Schreibeinrichtungen verwendet, so daß der Abstand zwischen dem Aufzeichnungsmedium und dem Aufzeichnungskopf beliebig gesteuert werden kann. Dasselbe gilt auch für den Fall, daß das Objekt 20 als Aufzeichnungskopf und das Objekt 21 als Aufzeichnungsmedium verwendet wird.
Obwohl die Bewegung in Richtung der beiden Achsen mit dem Aufbau nach Fig. 2 ausgeführt werden kann, kann die Bewegung in Richtung von drei Achsen durch Kombinieren zweier Sätze von Mechanismen 11 nach Fig. 2 und überlappende Verbindung derart, daß diese sich in Richtung der Träger senkrecht überkreuzen, oder durch Integration auf derselben Grundplatte realisiert werden.
Fig. 4 zeigt schematisch ein Beispiel, bei dem zwei Sätze von Mechanismen übereinander angeordnet und miteinander verbunden sind.
Die Betätigung eines Mechanismus 11 wird durch Anlegen von Spannungen an eine Elektrode 18a unterhalb eines Gewichts 16a und die feststehenden Elektroden 19a und 19b auf der Grundplatte 13 gesteuert. Weiterhin wird die Betätigung des Mechanismus 11 unabhängig durch Spannungen gesteuert, die an die unter einem Gewicht 16b angeordnete Elektrode 18b und an feststehende Elektroden 19c und 19d (nicht gezeigt) unter einem Gewicht 16 angelegt werden. Das heißt, durch unabhängiges Bewegen der unteren Träger 17a und 17b kann das Objekt in die Richtungen der drei Achsen bewegt werden.
Fig. 5 ist eine Explosionsdarstellung, die ein Beispiel zeigt, bei dem ein Si-Substrat 22 mit 15 mm Kantenlänge und einer Dicke von 500 µm als Antriebsabschnitt und ein Glassubstrat 23 als Grundplatte verwendet werden. Zuerst wird, um in einem Abschnitt eines Trägers 24 der oberen Fläche des n-Si-Substrats 22 eine p-Schicht auszubilden, eine Dotierung mit B-Ionen mittels Ionenimplantation unter Verwendung einer Maske vorgenommen. Danach wird vom unteren Abschnitt des Si- Substrats 22 in einer 40%-igen wäßrigen Lösung von KOH bei einer Temperatur von 100ºC ein anisotropes Ätzen ausgeführt, wodurch ein flaches plattenförmiges Gewicht 25 gebildet wird. Nachfolgend wird ein Lochabschnitt 66 ausgebildet. Danach wird auf der gesamten Oberfläche des unteren Abschnitts des Gewichts 25 eine Aluminiumelektrode 27 gebildet. Ein konkaver Abschnitt 28 wird auf dem Glassubstrat 23 durch Ätzen erzeugt. Zwei Aluminiumelektroden 29a und 29b werden im konkaven Abschnitt 28 durch entsprechendes Strukturieren erzeugt.
Das Glassubstrat 23 ist als Borsilikatglas oder Borsilikatglas mit niedrigem Alkaligehalt (Pyrex-Glas, hergestellt von Corning Glass Works Co., Ltd.) gefertigt, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient annähernd dem von Si entspricht. Wenn das Glassubstrat 23 mit dem Si-Substrat 22 verbunden wird, wird das Glassubstrat auf etwa 400ºC unter Nutzung des Verfahrens erwärmt, das als Anoden-Verbindungsverfahren (anode junction method) bezeichnet wird, eine negative Spannung von etwa -500 V wird an das Glassubstrat 23 angelegt, und das Glassubstrat wird durch eine auf die Si-Grenzfläche wirkende elektrostatische Kraft chemisch mit dem Si-Substrat verbunden. Nachdem diese verbunden wurden, werden die Abstände zwischen der Aluminiumelektrode 27 des Gewichts 25 und den Elektroden 29a und 29b des Glassubstrats 23 auf etwa 1 bis 5 µm eingestellt.
Das Anoden-Verbindungsverfahren ist ein Verfahren, durch das die anzubringende Glasplatte und die Verbindungsplatte miteinander verbunden werden, eine Spannung an diese angelegt und gleichzeitig die Temperatur erhöht wird, wodurch Ionen in der Glasplatte in Bewegung gesetzt und durch ein nahe der Grenzfläche erzeugtes elektrisches Feld angezogen werden und Atome verbunden werden, wodurch beide Platten aneinander Haften.
Fig. 6 zeigt eine Schaltung zur Ansteuerung bzw. zum Antrieb eines Parallelebenen-Haltemechanismus 31. Eine Hochfrequenz mit konstanter Amplitude wird von einem Schwingungserzeuger 32 über eine Additionseinheit an feststehende Elektroden 34a und 34b angelegt. In diesem Fall ändert sich, wenn die Kapazität zwischen jeweils einer feststehenden Elektrode und einer Elektrode 36 eines Gewichts 35 sich ändert, sich die Impedanz und die Partialspannung der Hochfrequenzkomponente. Eine solche Änderung in der Partialspannung wird durch einen Verschiebungsdetektor 37 in ein Signal umgewandelt, das den Drehwinkel des Gewichts 35 repräsentiert. Der Verschiebungsdetektor 37 extrahiert alein die Amplitude der Hochfrequenzkomponente durch eine Erfassungsschaltung 38, die ein Bandpaßfilter und einen Ganzwellengleichrichter umfaßt, und gibt ein Signal für den Drehwinkel aus. Dieses Signal wird durch eine Servoschaltung 39 rückgekoppelt Ansteuer- bzw. Antriebsspannungen werden an die feststehenden Elektroden 34a und 34b über die Additionsstufe angelegt, so daß der Drehwinkel des Gewichts 35 nicht von der Neutralstellung oder der anfänglich eingestellten Stellung abweicht, was eine Einwirkung der elektrostatischen Kraft ermöglicht. Infolgedessen kann der Parallelzustand für eine Verschiebung von 4 µm in Richtung (z-Achse) senkrecht zur Richtung (y-Achse) des Trägers aufrechterhalten werden. Es ist bekannt, daß durch Übereinanderlegen zweier Parallelebenen-Haltemechanismen 31 unter senkrechter Überkreuzung der Träger der Parallelzustand für eine Verschiebung in beliebiger Richtung aufrechterhalten werden kann.
Da die Ansteuer- bzw. Antriebsschaltung zum Antrieb des Parallelebenen-Haltemechanismus 31 vorher als IC im Kantenabschnitt des Si-Substrates 22 entworfen und ausgebildet worden ist, ist der Mechanismus ebenso wie der Ansteuer- bzw. Antriebsteil in vorteilhafter Weise sehr kompakt und rauschfest.
Fig. 7 zeigt die zweite Ausführungsform, und hier sind mit Fig. 3 übereinstimmende Elemente mit denselben Bezugsziffern wie dort bezeichnet. Eine Anordnung (ein array) von 3 x 3 Sonden vom Auslegertyp ist in einem Teil des Gewichts 25 eines Parallelebenen-Haltemechanismus angeordnet, der im wesentlichen denselben Aufbau wie der in Fig. 3 hat. Eine Sonde 41 vom Auslegertyp bei dieser Ausführung ist vom Typ des Ausleger-Trägers und baut einen Bimorph aus piezoelektrischen Elementen auf einer Isolierschicht auf dem Substrat 22 auf. Die Sonde 41 wird durch aufeinanderfolgendes Erzeugen von Schichten in der Reihenfolge untere Elektrode, unteres ZnO, mittlere Elektrode, oberes ZnO, obere Elektrode und Strukturierung gebildet. Ein Fühlerstift 42 ist im Kantenabschnitt der Sonde 41 angeordnet. Ein Teil des Gewichts 45 wird durch anisotropes Ätzen in eine konkave Gestalt 43 gebracht, wodurch die Sonde 41 ausgebildet wird. Vorab sind - was nicht gezeigt ist - eine Ansteuerschaltung der Sonde 41 und eine Schaltung zur Verstärkung des elektrischen Signals vom Fühlerstift 42 als IC aufgebaut und in den Randbereich 44 der Sonde 41 integriert worden.
Im Ergebnis des Betriebs des Mechanismus gemäß der Ausführungsform wurde festgestellt, daß ein Parallelzustand von 5 µm oder mehr auf ähnliche Weise wie bei der vorangehenden Ausführungsform gehalten werden kann und daß die Sonde 41 so angesteuert werden kann, daß sich eine Verschiebung von 10 µm in Richtung der z-Achse und 1 µm in Richtung der x-Achse für den Fühlerstift 42 ergibt.
Fig. 8 bezieht sich auf die dritte Ausführungsform und zeigt ein Beispiel des Parallelebenen-Haltemechanismus, bei dem zwei Arten von Trägern verwendet werden, um dadurch eine Verschiebung in 3-Achsen-Richtung zu ermöglichen. Als Träger gibt es auf dem Si-Substrat vier Träger 24y in Richtung derselben Achse (y-Richtung) wie bei der ersten Ausführungsform und vier Träger 24x in Richtung senkrecht zur y-Richtung (y- Richtung) Die Träger 24x werden von den Trägern 24y in y- Richtung gehalten. Vier feststehende Elektroden 51a, 51b, 51c und 51d sind auf dem Glassubstrat 23 angeordnet. An diese Elektroden können jeweils unabhängig Spannungen angelegt werden. Eine Elektrode 27 unter dem Gewicht 25 hat eine zusammenhängende oder zweigeteilte Gestalt. Im Ergebnis dessen, daß der Mechanismus unter Nutzung einer ähnlichen Schaltung wie der bei der Ausführungsform nach Fig. 3 angetrieben wurde, konnten Verschiebungen in Richtung von drei Achsen gesteuert werden.
Obgleich die Ausführungsform ein Beispiel betrifft, bei dem eine Elektrode 27 verwendet wird, können die Verschiebungen im Falle der Verwendung zweier Elektroden durch feinere Spannungsänderungen gesteuert werden.
Im Ergebnis dessen, daß der Mechanismus unter Verwendung einer ähnlchen Schaltung wie derjenigen nach Fig. 3 angesteuert wurde, konnten Verschiebungen in drei Achsen gesteuert werden.
Ein Verfahren zur Steuerung der Position in vertikaler Richtung - d.h. in Richtung der z-Achse - wird jetzt unter Bezugnahme auf die Figuren 9A bis 9D beschrieben, die Querschnittsdarstellungen in y-Richtung unter Einschluß der Träger in Fig. 8 zeigen. Durch Steuerung der Spannungen, die an die Elektrode 27 unter dem Gewicht 25 und an die feststehenden Elektroden 51a und 51c angelegt werden, wird die Position vom Nullpunkt zur Oberfläche des Gewichts von Z&sub1; auf Z&sub4; geändert, so daß eine Verschiebung von Zc in Richtung der z- Achse erhalten werden kann.
Fig. 10 bezieht sich auf die vierte Ausführungsform und zeigt ein Beispiel, bei dem ein Mechanismus einen Aufbau ähnlich dem der dritten Ausführungsform nach Fig. 8 hat und Träger auf den Symmetrieachsen des Gewichts 25 angeordnet sind. Das Gewicht 25 ist in zwei Gewichte 25a und 25b unterteilt. Die Gewichte 25a und 25b sind jeweils durch die vier Träger 24y und 24x mit Si-Substrat 22 verbunden. Das Gewicht 25a wird unter Nutzung des Trägers 24x als Drehachse um die x-Achse gedreht. Das Gewicht 25b ist um die Gewichte 25a angeordnet und trägt das Gewicht 25a über den Träger 24x und wird unter Nutzung des Trägers 24y als Achse um die y-Achse gedreht. Somit kann das Gewicht 25a Verschiebungen in drei Achsen ausführen. An die feststehenden Elektroden 51a, 51b, 51c und 51d auf dem gegenüberliegenden Glassubstrat 22 können unabhängig Spannungen angelegt werden.
Obwohl die Ausführungsform sich auf ein Beispiel bezieht, bei dem eine Elektrode 27 unter dem Gewicht 25a vorgesehen ist, kann eine ähnliche Steuerung auch realisiert werden, wenn die Elektrode 27 in zwei Elektroden unterteilt ist, so daß diese den feststehenden Elektroden 51a bis 51d gegenüberliegen. Eine ähnliche Steuerung kann auch bewerkstelligt werden, wenn die Elektroden unterteilt und an den Gewichten 25a und 25b angeordnet und zwei Elektrodensätze auf dem Glassubstrat 23 in gegenüberliegender Position vorgesehen sind.
Fig. 11 bezieht sich auf die fünfte Ausführungsform und zeigt den Aufbau eines Hauptteils und ein Blockschaltbild einer Speichervorrichtung unter Verwendung eines Parallelebenen-Haltemechanismus. Die Ausleger-Sonde 61 des Haltemechanismus vom integrierten Typ, die bei der zweiten Ausführungsform erwähnt wurde, ist auf einem Aufzeichnungs-/Wiedergabekopf 60 angeordnet. Die Sonden 61 sind so angeordnet, daß sie dem Medium gleichmäßig zugewandt sind. Bezugsziffer 62 bezeichnet ein Aufzeichnungsmedium zur Aufzeichnung von Information, Ziffer 63 eine untere Elektrode zum Anlegen einer Spannung zwischen dem Medium und der Sonde 61 und 64 einen Träger für das Aufzeichnungsmedium. Das Aufzeichnungsmedium 62 besteht aus einem Material wie einem Metall, Halbleiter, Oxid oder einer dünnen organischen Schicht, die die Gestalt der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums 62 durch einen Tunnelstrom, der von einer Sonde 65 an einer Spitze der Sonde 61 erzeugt wird, in konvexe oder konkave Gestalt verformen kann. Das Aufzeichnungsmedium 62 kann auch aus einer dünnen organischen Schicht gefertigt sein, deren Eigenschaften sich durch den Tunnelstrom ändern und die einen elektrischen Gedächtniseffekt o.ä. hat. Der Aufzeichnungs-/Wiedergabekopf 60 ist mit einer Struktur 59 des Parallelebenen-Haltemechanismus ausgeführt, wie er in der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben ist.
Als dünne organische Schicht, deren elektrische Eigenschaften sich ändern, zeigt eine als Langmuir-Blodgett (LB)-Film ausgeführte Schicht, wie in JP-A-63-161552 beschrieben, gute Eigenschaften. Es wird beispielsweise Cr mit einer Dicke von 50 Å als untere Elektrode 63 auf ein Quarzglassubstrat mittels eines Vakuum-Gasphasenabscheidungsverfahrens abgeschieden. Weiterhin wird Au mit einer Dicke von 300 Å mittels desselben Verfahrens auf die untere Cr-Elektrode aufgedampft. Vier Schichten aus SOAZ (Squalillium-bis-octylazulen) werden mittels des LB-Verfahrens auf die Au-Schicht laminiert. Die erhaltene laminierte Schicht u.ä. wird als die dünne organische Schicht genutzt.
Die Bezugsziffer 66 bezeichnet eine Datenmodulierungsschaltung zur Modulierung aufzuzeichnender Daten in ein zur Aufzeichnung geeignetes Signal. Ziffer 67 bezeichnet eine Aufzeichnungsspannungs-Anlegevorrichtung zur Aufzeichnung des durch die Datenmodulierungsschaltung 66 modulierten Signals auf das Aufzeichnungsmedium 62 durch Anlegen einer Spannung zwischen das Aufzeichnungsmedium 62 und die Sonde 61. Wenn es der Sonde 61 erlaubt ist, sich dem Aufzeichnungsmedium 62 bis auf einen vorbestimmten Abstand anzunähern, und durch die Aufzeichnungsspannungsanlegevorrichtung 67 ein Rechteck- Spannungsimpuls von beispielsweise 3 Volt und einer Breite von 50 ns angelegt wird, erleidet das Aufzeichnungsmedium 62 eine charakteristische Änderung, so daß ein Abschnitt niedrigen elektrischen Widerstands auftritt. Hiermit wird durch Ausführung des oben genannten Vorgangs unter Verwendung eines xy-Tischs 68 unter Abtastung der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums 62 durch die Sonde 61 eine Information aufgezeichnet.
Als Mechanismus zur Abtastung durch den xy-Tisch 68 wird - was nicht dargestellt ist - der Parallelebenen-Haltemechanismus, der mit dem Aufzeichnungs-/Wiedergabekopf 60 integriert ist, und ein Steuermechanismus, wie etwa ein Differentialmikrometer, eine Schwingspule, eine Feineinstellschnecke o.ä., der eine Bewegung mit großem Hub ausführen kann, benutzt.
Ziffer 69 bezeichnet eine Aufzeichnungssignalerfassungsschaltung zur Erfassung eines zwischen der Sonde 61 und dem Aufzeichnungsmedium 62 fließenden Tunnelstroms durch Anlegen einer Spannung dazwischen. Ziffer 70 bezeichnet eine Datendemodulierungsschaltung zur Demodulierung des durch die Aufzeichnungssignalerfassungsschaltung 69 erfaßten Tunnelstromsignals. Im Wiedergabebetrieb werden die Sonde 61 und das Aufzeichnungsmedium 62 so eingestellt, daß sie einen vorbestimmten Abstand haben, und es wird eine Gleichspannung unterhalb der Aufzeichnungsspannung, beispielsweise von 200 mV zwischen die Sonde 61 und das Aufzeichnungsmedium 62 angelegt. In diesem Zustand entspricht das Tunnelstromsignal, das unter Nutzung der Aufzeichnungssignalerfassungsschaltung 69 während der Abtastung durch die Sonde 61 längs einer Aufzeichnungsdatenspur auf dem Aufzeichnungsmedium 62 erfaßt wird, dem Aufzeichnungsdatensignal. Somit wird durch Umwandlung des erfaßten Tunnelstromsignals in eine Spannung und Erzeugung der Spannung und Demodulation durch die Datendemodulierungsschaltung 70 ein Wiedergabedatensignal gewonnen.
Ziffer 71 bezeichnet eine Sonnenhüllenerfassungsschaltung. Die Erfassungsschaltung 71 empfängt das Nachweissignal der Aufzeichnungssignalerfassungsschaltung 69 und verarbeitet das Signal, welches nach Abtrennung der mit dem Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein von Informationsbits verknüpften Hochfrequenzschwingungskomponente übrig bleibt. Die Erfassungsschaltung 71 erzeugt ein Befehlssignal für eine Antriebssteuerschaltung 72 der x- und z-Achse und den xy- Tisch, um die Sonde 61 vertikal zu bewegen und zu steuern, so daß der Wert des verbleibenden Signals gleich einem vorbestimmten Wert ist. Folglich wird der Abstand zwischen der Sonde 61 und dem Medium 62 nahezu konstant gehalten. Im weiteren bezeichnet Ziffer 73 eine Spurerfassungsschaltung. Wenn die Sonde 61 das Aufzeichnungsmedium 62 abtastet, erfaßt die Spurerfassungsschaltung 73 eine Abweichung von dem Weg, längs dessen durch die Sonde 61 die Daten aufgezeichnet werden sollten, oder vom Aufzeichnungsdatenzug, d.h. der Datenspur.
Eine Aufzeichnungs-/Wiedergabeschaltung 74 ist aus der oben genannten Datenmodulierungsschaltung 66, der Aufzeichnungsspannungsanlegeschaltung 67, der Aufzeichnungssignalerfassungsschaltung 69, der Datendemodulierungsschaltung 70, der Sondenhüllenerfassungsschaltung 71, der x- und z-Achsen- und x-y-Tisch-Antriebssteuerschaltung 72 und der Spurerfassungsschaltung 73 aufgebaut. Bei dem in Fig. 8 gezeigten Aufzeichnungs-/Wiedergabekopf 60 ist für jede einer Mehrzahl von Sonden 61, die dem Aufzeichnungsmedium 62 gegenüberliegen, und ihrem jeweiligen Antriebsmechanismus eine Aufzeichnungs-/Wiedergabeschaltung 74 vorgesehen. Die Aufzeichnung und Wiedergabe durch jede Sonde 61, die Abtastung durch jede Sonde 61 und die Verschiebungssteuerung bzw. Abstandseinstellung etc. können unabhängig ausgeführt werden.
Obwohl alle obigen Ausführungsformen unter der Annahme beschrieben wurden, daß Aufzeichnungs- und Wiedergabevorgänge bei einer Speichervorrichtung ausgeführt werden, kann die Erfindung auch bei einer Speichervorrichtung angewandt werden, mit der nur ein Aufzeichnungs- oder ein Wiedergabevorgang ausgeführt wird.
Ein Beispiel, bei dem die Erfindung bei einer Rastertunnelstromerfassungsvorrichtung angewandt wird, wird nachfolgend beschrieben.
Fig. 12 zeigt ein Blockschaltbild einer STM-Vorrichtung, die unter Nutzung des Parallelebenen-Haltemechanismus der Erfindung hergestellt wird. Einer Sonde 83 ist es erlaubt, sich mittels einer Ausleger-Sonde 81 mit einem auslegerförmigen Träger, wie er in der zweiten Ausführungsform beschrieben ist, sich einer Probe 82 anzunähern (z-Richtung). Danach wird die x-Richtung in der Ebene der Probe 82 durch einen piezoelektrischen Bimorph-Mechanismus abgetastet, der im Ausleger angeordnet ist, und die y-Richtung wird durch einen xy-Tisch 84 abgetastet. An die Sonde 83 und die Probe 82 werden durch eine Vorspannungsanlegeschaltung 85 Spannungen angelegt. Ein dabei beobachteter Tunnelstrom wird durch eine Tunnelstromerfassungs- und -verstärkungsschaltung 86 ausgelesen, wodurch ein Bild beobachtet wird. Ein Parallelebenen- Haltemechanismus 89 gemäß der Erfindung ist auf dem xy-Tisch angeordnet. Die Probe ist auf dem Haltemechanismus 89 fixiert. Der Abstand zwischen der Probe 82 und der Sonde 83 wird durch die z-Steuerung der Ausleger-Sonde und den Parallelebenen-Haltemechanismus 89 gesteuert. Die Betätigung des xy-Tischs 84 wird durch eine Antriebssteuerschaltung 87 gesteuert. Eine Ablaufsteuerung der genannten Schaltungen wird durch eine CPU 88 ausgeführt. Als Abtastmechanismus des xy- Tischs 84 wird - was nicht dargestellt ist - ein Steuermechanismus, wie etwa ein zylindrischer piezoelektrischer Aktuator, eine Parallelfeder, ein Differentialmikrometer, eine Schwingspule, eine Feineinstellschnecke o.ä., verwendet.
Die Speichervorrichtung unter Verwendung des Parallelebenen- Haltemechanismus gemäß der Erfindung umfaßt: die die aus elastischen Elementen im Randabschnitt des flachgeformten Gewichts gefertigten Träger aufweisende Struktur, die dem Gewicht zugewandte angeordnete Grundplatte und die auf gegenüberliegenden Flächen des Gewichts sowie der Grundplatte angeordneten Elektroden, wobei der Abstand zwischen dem Gewicht und der Grundplatte durch Anlegen von Spannungen an die Elektroden gesteuert und der Aufbau und/oder das anzutreibende bzw. anzusteuernde Objekt, das mit der Grundplatte verbunden ist, bewegt wird/werden, wodurch die Bezugsfläche des Objekts beliebig parallel zu einer vorbestimmten Bezugsfläche gehalten werden kann. Der Aufbau ist entweder auf dem Aufzeichnungskopf oder dem Aufzeichnungsmedium vorgesehen, und die vorbestimmte Bezugsfläche ist dem jeweils anderen Element von Aufzeichnungsmedium und Aufzeichnungskopf zugeordnet.
Die STM-Vorrichtung unter Einsatz des Parallelebenen-Haltemechanismus gemäß der Erfindung umfaßt die die aus elastischen Elementen im Randabschnitt des flach geformten Gewichts gefertigten Träger aufweisende Struktur, die gegenüber dem Gewicht angeordnete Grundplatte und die auf gegenüberliegenden Oberflächen des Gewichts sowie der Grundplatte angeordneten Elektroden, wobei der Abstand zwischen dem Gewicht und der Grundplatte durch Anlegen von Spannungen an die Elektroden gesteuert und der Aufbau und/oder das anzusteuernde Objekt, das mit der Grundplatte verbunden ist, bewegt wird, wodurch die Referenzfläche des Objekts beliebig parallel zu einer vorbestimmten Referenzfläche gehalten werden kann. Der Aufbau wird entweder mit dem Fühlerstift bzw.
der Abtastnadel zum Messen und Abfühlen oder dem zu messenden Objekt verbunden und die vorbestimmte Referenzfläche wird mit dem anderen der Elemente Meßobjekt und Fühlerstift verbunden.
Wie oben beschrieben, sind der Parallelebenen-Haltemechanismus gemäß der Erfindung und die Vorrichtung unter Einsatz eines solchen Mechanismus für den Parallelebenen-Haltemechanismus wirkungsvoll zum Einhalten paralleler Ebenen und haben den Effekt, daß eine Rauschverminderung eintritt, wenn sie bei einem Aufzeichnungskopf zum Zugriff auf das Aufzeichnungsmedium angewandt werden. Bei einer Speichervorrichtung können die Sonde und das Aufzeichnungsmedium oder der Aufzeichnungskopf mit einem IC integriert werden, und es kann eine Miniaturisierung erreicht werden. Auch bezüglich des STM kann eine Miniaturisierung erreicht werden.

Claims

1. Parallelebenen-Haltemechanismus zum Halten eines flachen plattenförmigen Gewichts (16) parallel zu einer Grundplatte (13), mit

- einem Aufbau mit elastischen Trägern (17) in einem Randabschnitt des flachen plattenförmigen Gewichts (16), wobei die Grundplatte (13) dem Gewicht (16) zugewandt angeordnet ist,

- einer ersten Elektrode (18), die auf der Oberfläche des Gewichts (16) angeordnet ist, welches der Grundplatte (13) zugewandt ist,

- mindestens einer zweiten Elektrode (19a, 19b), die auf der Oberfläche der dem Gewicht (16) zugewandten Grundplatte (13) vorgesehen ist, und

- einer Spannungsanlegeeinrichtung zum Anlegen von Spannungen an die erste und zweite Elektrode (18, 19a, 19b), und

- einer Schaltung (32 - 39) zum Nachweis elektrostatischer Kapazitäten zwischen den Elektroden (18, 19a, 19b) und zur Regelung der Spannungen, um eine obere Oberfläche eines am Gewicht (16) angebrachten Objekts (20) parallel zu einer unteren Oberfläche eines externen Objekts (21) zu positionieren.

2. Mechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht (16) einen mit der Grundplatte (13) zusammenwirkenden ersten Abschnitt (16a) sowie einen Objekttrageabschnitt (16b) aufweist, der dem ersten Abschnitt (16a) zugewandt angeordnet ist und darauf durch elastrische Träger (17b) gehalten wird, die sich im wesentlichen senkrecht bezüglich der elastischen Träger (17a) des Gewichts erstrecken, wobei die relative Position des ersten und des zweiten Abschnitts (16a, 16b) durch die Schaltung (32 - 39) über Spannungen gesteuert wird, die an gegenüberliegende Oberflächen des ersten und zweiten Abschnitts (16a, 16b) angelegt werden.

3. Mechanismus nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aufbau im wesentlichen aus Siliciummaterial gefertigt ist.

4. Mechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei beim Aufbau vier elastische Träger (17) vorgesehen sind.

5. Mechanismus nach Anspruch 4, wobei zwei der vier elastischen Träger (17) sich in eine Richtung erstrecken, die von der Richtung, in der sich die beiden anderen elastischen Träger erstrecken, verschieden ist.

6. Mechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei vier zweite Elektroden (51a, 51b, 51c, 51d; Fig. 10) auf der Oberfläche der Grundplatte (23) angeordnet sind.

7. Rastertunnelstromerfassungsvorrichtung unter Verwendung des Parallelebenen-Haltemechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das am Gewicht (16) angebrachte Objekt (20) zur Fixierung einer Probe (82) darauf dient, wobei das externe Objekt (21) eine Sonde (23) ist.

8. Speichervorrichtung unter Verwendung des Parallelebenen- Haltemechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das am Gewicht (16, 16a, 16b) angebrachte Objekt (20) ein Aufzeichnungsmedium ist, wobei das externe Objekt (21) ein Aufzeichnungskopf ist.