DE69225724T2

DE69225724T2 - Steuersystem für Abtastsonde

Info

Publication number: DE69225724T2
Application number: DE69225724T
Authority: DE
Inventors: Toshihiko C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Miyazaki; Takahiro C/O Canon Kabushiki Kaish Ohta-Ku Tokyo Oguchi; Kunihiro C/O Canon Kabushiki Kaish Ohta-Ku Tokyo Sakai; Shun-Ichi C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Shido
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-01-29
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 1999-01-14
Anticipated expiration: 2012-01-29
Also published as: CA2059990A1; DE69225724D1; ATE166972T1; EP0497288A2; EP0497288B1; EP0497288A3; US5414690A; CA2059990C

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bewegen einer Sonde und eines Objekts relativ zueinander, entsprechend dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren dieser Art sind bekannt aus Review of Scientific Instruments, Vol. 61, Nr. 7, Juli 1990, New York, S. 1869 bis 1873; K. W. Hipps et al.: "A scanning tunneling microscope with a wide sampling range" oder der EP- A-0 338 083.
In den vergangenen Jahren wurde ein Rastertunnelmikroskop (im folgenden auch als STM bezeichnet) entwickelt, welches auf dem physikalischen Phänomen beruht, daß man einen Tunnelvorgang beobachtet, wenn eine Sonde an eine Probe angenähert wird, um die Oberfläche einer Substanz und die Elektrodenstruktur in der Nähe der Oberfläche direkt zu betrachten [G. Binning et al., Helvetica Physica Acta, 55,726 (1982)], so daß sich die Möglichkeit ergeben hat, ein reales räumliches Bild mit hohem Auflösungsvermögen zu messen, unabhängig davon, ob es sich um einen Einkristall oder um amorphe Stoffe handelt. Das STM hat außerdem den Vorteil, daß es eine Beobachtung mit geringer elektrischer Leistung ermöglicht, ohne daß der elektrische Strom einem Medium Schaden zufügt, und man außerdem nicht nur im Hochvakuum sondern auch in der Atmosphäre arbeiten kann und für verschiedene Stoffe Lösungen verwendet werden können, so daß umfangreiche Anwendungen entsprechend dem Forschungsgebiet zu erwarten sind. Auch auf industriellem Gebiet wurde, wie zum Beispiel in den japanischen Patent-Offenlegungsschriften 63-161552 und 63-161 553, dem Prinzip Aufmerksamkeit gewidmet, daß die Größen von Atomen oder Molekülen ein räumliches Auflösungsvermögen haben, so daß die Anwendung des STM bei Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Vorrichtungen und die Umsetzung des STM in die Praxis energisch vorangetrieben wurden.
Demnach ist das STM oder die Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Vorrichtung so ausgestaltet, daß ein Tunnelstrom oder dergleichen gemessen wird, während die Sonde abtastend parallel über die Oberfläche der Probe geführt wird, um dadurch die physikalische Mengenverteilung auf der Probenoberfläche in Erfahrung zu bringen. Um diesen Zweck zu erreichen, muß man die Probe und die Sonde ausreichend nah zusammenbringen, soweit, daß zwischen der Probe und der Sonde ein Tunnelstrom fließt. Gibt es allerdings eine starke Ungleichmäßigkeit auf der Probenoberfläche, wenn zum Beispiel die Annäherungsposition der Sonde ein konkaver Abschnitt der Probe ist, so kann es zu einer Kollision oder einer Berührung zwischen der Sonde und der Probe kommen, wenn der Abtastvorgang begonnen wird, oder auch während der Annäherung der Sonde an die Probe. Im Ergebnis wird möglicherweise nicht nur die Probe beschädigt, sondern auch das vordere Ende der Sonde wird möglicherweise flachgedrückt, so daß der Krümmungsradius der Sonde größer wird und dadurch das räumliche Auflösungsvermögen abnimmt.
Außerdem muß man, wenn eine derartige Vorrichtung als Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Vorrichtung eingesetzt ist, bei der Annäherung der Sonde an die Aufzeichnungsfläche konkave Bereiche in dieser Fläche vermeiden.
Damit ein solches STM oder eine solche Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Vorrichtung richtig arbeitet, wie es oben erläutert wurde, müssen Probe und Sonde sich ausreichend weit nähern, soweit, daß ein Tunnelstrom zwischen der Probe und der Sonde fließt, so daß ein geeigneter Sonden-Annäherungsmechanismus zum Vorab- Annähern des Abstands zwischen Probe und Sonde auf einer Distanz unerläßlich ist, bei der das Tunnelphänomen beobachtet wird. Bislang wurde als Annäherungsmechanismus ein Schrittmotor, ein Schneckenmechanismus oder ein laminiertes piezoelektrisches Element verwendet (Applied Physics Letter, Vol. 40 (1982), S. 178-180), jedoch läßt sich mit der konventionellen Annäherungseinrichtung die Positionsgenauigkeit der Sonde nicht erreichen, und zwar aufgrund des während der Bewegung entstehenden parasitären Schwingungs- oder Kriech-Phänomens, so daß die Wahrscheinlichkeit für einen Zusammenprall zwischen Sonde und Probe bei der Annäherung der Sonde an die Probe hoch ist. Dies führt zu dem Problem, daß nicht nur die Probe beschädigt wird, sondern auch das vordere Ende der Sonde flachgedrückt wird und der Krümmungsradius der Sonde zunimmt, so daß das räumliche Auflösungsvermögen geringer wird.
W. Göpel et al. "Sensors", Vol. 1, "Fundamentals and General Aspects", 1989, VCH, Weinheim, DE, Kapitel 17 "Automated Manufacturing" S. 446-454, offenbart einen Ultraschall-Entfernungsfühler, der fokussierte Ultraschallimpulse aussendet und von der Oberfläche eines Werkstücks reflektierte Ultraschallimpulse empfängt, um verschiedene Abstände zwischen der Werkstückoberfläche und einer Roboterhand zu erfassen.
Im Hinblick auf das oben erläuterte Beispiel des Standes der Technik ist es Hauptziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bewegen einer Sonde und eines Objekts relativ zueinander anzugeben, die beziehungsweise das einen Annäherungsvorgang ermöglicht, bei dem die Sonde nicht mit der Probe oder dergleichen in Berührung gelangt oder damit kollidiert, wenn sich die Sonde der Probe annähert, oder wenn die Sonde mit dem Abtastvorgang der Probe beginnt.
Erreicht wird dies durch die vorliegende Erfindung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise des Anspruchs 5.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm des Schaltungsaufbaus einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht der Oberfläche einer Probe.
Fig. 3 ist ein Wellenformdiagramm zum Veranschaulichen der Arbeitsweise der ersten Ausführungsform.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm des Schaltungsaufbaus einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 5 ist ein Wellenformdiagramm zum Veranschaulichen der Arbeitsweise der zweiten Ausführungsform.
Fig. 6 ist ein Wellenformdiagramm zum Veranschaulichen der Arbeitsweise der dritten Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die im folgenden beschrieben wird, gelangt eine Sondenbewegungsvorrichtung zum ersten Mal zum Einsatz an dem höchstgelegenen konvexen Bereich auf der Oberfläche einer Probe, bei der sich die Annäherung einer Sonde an die Probe innerhalb eines Überstreichungsbereichs befindet.
Im folgenden nimmt die Beschreibung auf die Zeichnungen Bezug.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm des Schaltungsaufbaus der ersten Ausführungsform und zeigt den Fall, daß die Sonde 1 dazu gebracht wird, sich der Probe S anzunähern, während ein Tunnelstrom beobachtet wird. Es versteht sich, daß gemäß Darstellung beispielsweise in Fig. 2 die Probe S ein Silizium-Substrat ist, auf welchem die hartlinige Nute Sc mit jeweils einer Breite von 1 um und einer Tiefe von 0,1 um in Abständen von 2 um geätzt sind. Die Sonde 1 besitzt einen Feinbewegungsabschnitt 2 unter Verwendung beispielsweise eines piezoelektrischen Aktuators, wobei der Feinbewegungsabschnitt 2 auf einem Grobbewegungsteil 3 gelagert ist, der über einen großen Bereich hinweg bewegbar ist, in dem zum Beispiel von einem Schrittmotor oder dergleichen Gebrauch gemacht wird. Eine schwache Vorspannung wird zwischen die Probe S und die Sonde 1 mit Hilfe einer Vorspannungsschaltung 4 gelegt, und der zwischen den beiden Teilen fließende Tunnelstrom wird mit einem Tunnelstrom-Nachweisteil 5 gemessen. Der Feinbewegungsabschnitt 2 ist so ausgebildet, daß er einen Bereich mit einer Breite von zum Beispiel 2 um entlang der Probe S in einer zudem gestreckten Nute Sc orthogonalen Richtung mit Hilfe einer Abtasttreiberschaltung 6 überstreicht (mit konstanter Amplitude schwingt). Außerdem ist der Feinbewegungsabschnitt 2 so ausgelegt, daß er in einer Feinbewegung in Richtung auf die Probe S innerhalb eines Bereichs von zum Beispiel maximal 0,2 um oder dergleichen mit Hilfe einer Näherungstreiberschaltung 7 bewegt wird, wozu ein laminiertes piezoelektrisches Teil oder dergleichen dient, wobei der Grobbewegungsteil 2 so ausgebildet ist, daß er in einer Grobbewegung in Richtung auf die Probe S in Schritten von 0,1 um in einem Bewegungsbereich von zum Beispiel 10 mm oder dergleichen bewegt wird. Die Arbeitsweise der Abtasttreiberschaltung 6 und die der Näherungstreiberschaltung 7 wird von einer Ablaufsteuerschaltung 8 gesteuert, und die Sonde 1 nähert sich an die Probe S mit Hilfe eines Vorgangs an, der im nachfolgenden beschrieben wird, ohne daß bei diesem Vorgang eine Kollision zwischen der Probe S stattfindet, bis der Tunnelstrom von dem Tunnelstrom-Nachweisteil 5 beobachtet wird. Das heißt: als erstes wird die Sonde 1 von der Probe S entfernt gehalten, und der Abtastvorgang des Feinbewegungsteils 2 wird von der Abtasttreiberschaltung 6 in Gang gesetzt. Anschließend wird bestätigt, ob der Tunnelstrom fließt, während der Feinbewegungsteil 2 auf eine maximale Distanz in Richtung der Probe S gefahren wird, während der Abtastvorgang anhält, wie in Fig. 3a gezeigt ist. Wenn das Tunnelphänomen nicht in Erscheinung tritt und kein Tunnelstrom beobachtet wird, wird der Feinbewegungsteil 2 sofort zurückgezogen, und der Grobbewegungsteil 3 wird um einen Schritt (b) vorgelegt. Da ein Schritt des Grobbewegungsteils 3 einer Strecke von 0,1 um entspricht, befindet sich die Sonde 1 in einem Bereich, der beim letzten Mal von dem Feinbewegungsteil 2 innerhalb eines Hubs von 0,2 um untersucht wurde. Das heißt: die Sonde 1 wird durch die Grobbewegung nicht näher an die Probe S heran gebracht als bei der letzten Feinbewegung, und der Tunnelstrom fängt während dieser Grobbewegung nicht an zu fließen. Anschließend wird untersucht, ob der Tunnelstrom während des Vorgangs fließt, bei dem der Feinbewegungsteil 2 erneut auf den Maximalwert des Überstreichungshubs gefahren wird. Wenn das Tunnelphänomen nicht in Erscheinung tritt und der Tunnelstrom nicht beobachtet wird, wird der Feinbewegungsteil zusammengezogen, und mit Hilfe der Grobbewegung wird die Sonde 1 um einen weiteren Schritt dichter an die Probe S gefahren. Anschließend wird der oben erläuterte Vorgang wiederholt, und es wird ein Zeitpunkt (d) beobachtet, in welchem der Tunnelstrom fließt, der Annäherungsschritt wird abgeschlossen, der Abtastvorgang wird gestoppt, und die Ablaufsteuerung wird abgeschlossen.
Bei diesem Verfahren wird der Tunnelstrom als erstes an den konvexen Bereichen der Probe S fehlerfrei beobachtet, und es kommt niemals dazu, daß die Sonde 1 in Vertiefungen gelangt, beispielsweise in die Nuten Sc, und man kann die Kollision der Sonde 1 mit der Probe S vermeiden, wenn der Abtastvorgang gestartet wird. Es werden nicht nur die Vertiefungen vermieden, sondern es läßt sich außerdem jeder abnormale konvexe Bereich, der sich möglicherweise auf der Probe S befindet, nachweisen, wenn sich die Sonde an die Probe S annähert, so daß die Sonde 1 dazu gebracht werden kann, die Probe unter Vermeidung eines solchen Bereichs abzutasten, so daß die Annäherung nur im normalen Bereich der Probe erfolgt.
Im folgenden wird eine Ausführungsform beschrieben, die wir tatsächlich für ein STM verwendet haben. Das STM hat den in Fig. 1 gezeigten Aufbau. Die Sonde 1 wird in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche der Probe mit Hilfe einer Regelung derart nach oben und nach unten bewegt, daß der durch eine vorbestimmte zwischen die Probe S und die Sonde 1 mit Hilfe der Vorspannschaltung 4 gelegte Spannung fließende Tunnelstrom konstant wird. Durch Verwendung der Abtasttreiberschaltung 6 wird die Sonde 1 abtastend parallel über die Oberfläche der Probe bewegt, und ein System, welches die dann erfolgende Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Sonde 1 liest, gibt ein Signal als ein Bild des STM aus. Auch während dieses Vorgangs könnte es häufig zu einer Kollision zwischen der Sonde 1 und der Probe S bei den ersten Stadien der Annäherung der Sonde 1 an die Probe kommen, wodurch die Probe S oder die Sonde 1 geschädigt würde. Deshalb haben wir wiederholt eine Reihe von Experimenten durchgeführt, bei denen die Sonde 1 von der Probe S abgerückt wurde, um anschließend erneut die Sonde 1 an die Probe S zu bringen und diese zu beobachten, wobei von der Erfindung Gebrauch gemacht wurde. Im Ergebnis wurde bestätigt, daß die Störung und dergleichen des Tunnelstroms, hervorgerufen durch die Beschädigung der Probe S aufgrund der während der Abtastung erfolgenden Kollision zu Null wird, und man ein Bild mit hoher räumlicher Auflösung bei guter Reproduzierbarkeit erhalten kann, während die Wahrscheinlichkeit der Kollision oder eines Kontakts verringert wird.
Die weitere Beschreibung bezieht sich auf eine Ausführungsform für den Fall, bei dem wir die vorliegende Erfindung für eine Informationsverarbeitungseinrichtung benutzt haben. Zunächst soll der grundlegende Aufbau der Informationsverarbeitungsvorrichtung erläutert werden. Es wird der Aufbau nach Fig. 1 verwendet, und anstelle der Probe S wird ein Aufzeichnungsträger verwendet, und zusätzlich zu dem oben beschriebenen Betrieb des STM wird von der Vorspannschaltung 4 eine Vorspannung eine spezielle Signalspannung basierend auf einer Aufzeichnungsinformation überlagert, so daß auf der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers entsprechend der dann vorhandenen Position der Sonde 1 eine elektrische Schwingung hervorgerufen und Information auf den Aufzeichnungsträger geschrieben wird. Das Auslesen erfolgt mit Hilfe eines elektrischen Stromsignals, welches durch den Betrieb des STM erhalten wird, oder durch ein Signal, welches kennzeichnend für die Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Sonde 1 ist. Das Löschen erfolgt durch Anlegen eines vorbestimmten Spannungssignals an die gleiche Stelle, um dadurch die elektrische Zustandsänderung auf der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers wieder in den ursprünglichen Zustand zurückzubringen.
Was ein spezielles Ausführungsbeispiel angeht, so wird entsprechend den japanischen Patent-Offenlegungsschriften 63-161552 und 63-161553 ein Aufzeich nungsträger mit einem LB-Film (ein zweilagiger Film) eines Polymers (zum Beispiel Polyimid) von heterozyklischen Verbindungen, beschichtet mit einer Elektrode aus Gold (Au) anstelle der Probe S in Fig. 1 verwendet, und damit wurden eine Aufzeichnung, eine Wiedergabe und ein Löschvorgang ausgeführt. Bei einer solchen Vorrichtung würde eine durch Überlagern kontinuierlicher Impulswellen mit Scheitelwerten von -6 V und +1,5 V und einer Vorspannung mit Hilfe der Vorspannschaltung 4 erhaltene Spannung zwischen den Aufzeichnungsträger und die Sonde 1 gelegt, während die Sonde 1 in XY-Richtung abgetastet wurde, so daß der Tunnelstrom konstant werden konnte und dabei das elektrische Aufzeichnen der Information erfolgte. Außerdem wurde die beschriebene Oberfläche erneut von der Sonde 1 abgetastet und dabei erfolgte ein Auslesen der aufgezeichneten Information aus dem STM-Bild unter Verwendung einer Änderung des Tunnelstroms mit Hilfe der Tunnelstrom-Nachweisschaltung 5. Im Ergebnis konnte bestätigt werden, daß die Aufzeichnungsinformation und die Wiedergabeinformation entsprechend guter Reproduzierbarkeit übereinstimmten, sogar dann, als der oben geschilderte Vorgang wiederholt ausgeführt wurde. Hieraus ist ersichtlich, daß die Sonde 1 an die Aufzeichnungsfläche angenähert werden kann, ohne den Aufzeichnungsträger zu zerstören, selbst dann, wenn der oben beschriebene Vorgang wiederholt ausgeführt wird. Außerdem wurde bestätigt, daß, wenn der Vorgang des Überlagerns einer Impulsspannung mit einem Scheitelwert von 3 V und einer Vorspannung zwischen dem Aufzeichnungsträger und der Sonde 1 mit Hilfe der Vorspannschaltung 4 zu einem Zeitpunkt, zu dem die Sonde 1 sich einem Bereich des Aufzeichnungsträgers genähert hat, auf dem eine Aufzeichnung im Zuge des Abtastvorgangs erfolgen soll, die aufgezeichnete Information von dem reproduzierten STM-Bild gelöscht wurde. Auch in diesem Fall konnte natürlich die Kollision der Sonde 1 mit dem Aufzeichnungsträger wirksam mit Hilfe des erfindungsgemäßen Näherungsmechanismus vermieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich bei jeder Vorrichtung anwenden, bei der ein Annäherungsmechanismus betrieben werden kann, während eine Sonde parallel über die Oberfläche einer Probe geführt wird, das Verfahren ist nicht beschränkt auf die spezielle Form der Probe und den Mechanismus sowie den Aufbau für den Abtastvorgang und die Annäherung.
Auch bei der vorliegende Ausführungsform bezog sich die Beschreibung auf ein STM und eine Informationsverarbeitungsvorrichtung zum Messen des Tunnelstroms als physikalische Informationsgröße, wobei jedoch die vorliegende Erfindung gleichermaßen anwendbar ist bei Meßvorrichtungen, die die Kraft zwischen Atomen mißt, ferner die Kapazität, den magnetischen Fluß, die magnetische Kraft und dergleichen.
Wie oben ausgeführt, vermag die Sondenbewegungseinrichtung gemäß der oben erläuterten Ausführungsform eine Messung durchzuführen, während die Form des freien Endes der Sonde scharf bleibt, ohne daß die Sonde mit der Probe kollidiert, weil die Sonde nicht in eine Vertiefung der Probe hineinläuft. Dementsprechend wird eine Betrachtung bei höherem räumlichen Auflösungsvermögen möglich. Außerdem wird die Sonde nicht beschädigt, so daß die Probe nicht ausgetauscht werden muß. Dies hat den Vorteil, daß das System vereinfacht und kompakter ausgebildet werden kann, sowohl bei einem STM als auch bei Informationsaufzeichnungsvorrichtungen. Außerdem ist es möglich geworden, unebene Bereiche der Probe zu vermeiden und die Sonde sich selektiv an einen flachen Bereich der Probe annähern zu lassen, was nützlich ist bei der Aufzeichnung und der Wiedergabe von Informationen.
Anhand der Fig. 4 und 5 wird im folgenden eine zweite Ausführungsform der Erfindung im einzelnen erläutert.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm des Schaltungsaufbaus eines STM und zeigt den Fall, daß eine Sonde 11 dazu gebracht wird, sich an eine Probe S anzunähern, während der fließende Tunnelstrom beobachtet wird. In Fig. 4 besitzt die Sonde 11 einen Feinbewegungsteil 12, der zum Beispiel von einem piezoelektrischen Aktuator Gebrauch macht, wobei der Feinbewegungsteil 12 seinerseits an einen Grobbewe gungsteil 13 gelagert ist, der über einen großen Hub bewegbar ist, zum Beispiel durch Verwendung eines Schrittmotors oder dergleichen. Die Arbeitsweise des Feinbewegungsteils 12 und des Grobbewegungsteils 13 wird von einer Ablaufsteuerschaltung 14 gesteuert. Außerdem wird zwischen die Probe S und die Sonde 11 mit Hilfe einer Vorspannschaltung 15 eine schwache Vorspannung gelegt, und ein fließender Tunnelstrom zwischen diesen beiden Teilen wird von einem Tunnelstrom- Nachweisteil 16 gemessen.
Der Feinbewegungsteil 12 ist so ausgelegt, daß er sich in feiner Abstimmung innerhalb eines Bereichs von zum Beispiel maximal 0,2 um oder dergleichen bewegt, wozu ein laminiertes piezoelektrisches Element eingesetzt wird, während der Grobbewegungsteil 13 für eine Grobbewegung in einem Bewegungsbereich von zum Beispiel 10 mm oder dergleichen bei einer Schrittweite von 0,1 um ausgelegt ist. Der Feinbewegungsteil 12 und der Grobbewegungsteil 13 werden beide von der Steuerschaltung 14 gesteuert, und die Sonde 11 wird der Probe S durch den im folgenden erläuterten Ablauf angenähert, ohne daß letztere mit ersterem kollidiert, bis von dem Tunnelstrom-Nachweisteil 16 der Tunnelstrom registriert wird. Fig. 5 ist ein Wellenformdiagramm, welches die Bewegungshübe des Feinbewegungsteils 12 und des Grobbewegungsteils 13 sowie den nachgewiesenen Tunnelstrom darstellt.
Zunächst wird die Sonde 11 auf Distanz gegenüber der Probe S gehalten, und es wird bestätigt, ob der Tunnelstrom fließt, während der Feinbewegungsteil 12 auf eine maximale Entfernung von 0,2 um gefahren ist (a). Wenn das Tunnelphänomen nicht in Erscheinung tritt und kein Tunnelstrom beobachtet wird, wird anschließend der Feinbewegungsteil 12 zurückgezogen. Anschließend wird der Grobbewegungsteil 13 um einen Schritt bewegt (b). Da ein Schritt des Grobbewegungsteils 13 der Distanz von 0,1 um entspricht, befindet sich die Sonde 11 immer noch in einem Bereich, der von dem Hub von 0,2 um des Feinbewegungsteils 12 zuvor untersucht wurde. Das heißt, die Sonde 1 wird durch die Grobbewegung nicht näher an die Probe S gebracht, als dies bereits während der letzten Feinbewegung geschehen ist, und der Tunnelstrom wird während dieser Feinbewegung nicht fließen. Anschließend wird untersucht, ob der Tunnelstrom fließt, während der Feinbewegungsteil 12 erneut auf maximale Distanz ausgefahren wird. Tritt das Tunnelphänomen nicht auf und wird kein Tunnelstrom beobachtet, so wird der Feinbewegungsteil 12 zurückgezogen, und es erfolgt eine erneute Grobbewegung, bei der die Sonde 11 um einen weiteren Schritt (c) näher an die Sonde gebracht wird. Anschließend wird die oben erläuterte Prozedur wiederholt, und zu einem Zeitpunkt (d), zu dem der Tunnelstrom beobachtet wird, wird der Annäherungsprozeß abgeschlossen und die Steuersequenz beendet.
Fig. 6 ist ein Wellenformdiagramm für die Annäherungssteuerung bei einer dritten Ausführungsform, der Aufbau der Vorrichtung ist ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 4 und braucht nicht noch einmal dargestellt und beschrieben zu werden. Die vorliegende Ausführungsform ist auf den Fall anwendbar, bei dem der Grobbewegungsabschnitt 13 nicht stufenweise angetrieben wird, wie es der Fall bei einem laminierten piezoelektrischen Element ist. Das heißt: während der Vorwärtsbewegung des Feinbewegungsteils 12 ist der Grobbewegungsteil 13 angehalten, und entsprechend der Rückwärtsbewegung des Feinbewegungsteils 12 wird der Grobbewegungsteil 13 mit einer Geschwindigkeit vorwärtsbewegt, die unterhalb der Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung des Feinbewegungsteils 12 liegt. Auch in diesem Fall kommt durch die Grobbewegung die Sonde 11 nicht näher an die Probe S als bei der letzten Feinbewegung, und der Tunnelstrom beginnt während dieser Grobbewegung nicht zu fließen.
Bei jedem der oben beschriebenen Systeme beginnt der Tunnelstrom ohne Störung zu fließen, während die Feinbewegung erfolgt, und er wird in keiner Weise beeinflußt durch parasitäres Schwingen, was ein Problem dann dargestellt, wenn der Grobbewegungsteil 13 angetrieben wird. Deshalb läßt sich ein abnormaler Anstieg eines zackenförmigen Tunnelstroms vermeiden, der bei Beendigung der Annäherung entsteht, wenn die Sonde gemäß dem Stand der Technik an die Probe angenähert wird, und die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung durch die Kollision der Spitze der Sonde 1 mit der Probe S läßt sich deutlich verringern.
Im folgenden wird eine Ausführungsform beschrieben, die wir tatsächlich für ein STM verwendet haben. Das STM hat den in Fig. 4 gezeigten Aufbau. Die Sonde 1 wird senkrecht zu der Oberfläche der Probe mit Hilfe einer Regelung nach oben und nach unten bewegt, so daß der Tunnelstrom, der aufgrund einer vorbestimmten Spannung fließt, die zwischen die Probe S und die Sonde 11 von der Vorspannschaltung 15 gelegt wird, konstant wird. Gleichzeitig wird die Sonde 11 parallel zu der Oberfläche der Sonde bewegt, und ein System liest die Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Sonde 11 als Signal und gibt es als Bild des STM aus. Auch in diesem Fall könnte es häufig zu einer Kollision zwischen der Probe S und der Sonde 11 im ersten Stadium der Annäherung der Sonde an die Probe kommen, wodurch die Probe S oder die Sonde 11 beschädigt würde. Deshalb haben wir eine Reihe von Experimenten durchgeführt, indem wir die Sonde 11 von der Probe S abgerückt und anschließend erneut die Sonde 1 an die Probe angenähert haben, wobei wir die Probe mit Hilfe der vorliegenden Erfindung beobachtet haben. Als Ergebnis wurde bestätigt, daß die Störung des Tunnelstroms, hervorgerufen durch eine Beschädigung der Probe S aufgrund der Kollision während der Annäherung zu Null wurde, und man ein Bild mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen bei guter Reproduzierbarkeit und verringerter Wahrscheinlichkeit einer Kollision oder einer Berührung erhalten konnte.
Die weitere Beschreibung betrifft eine Ausführungsform, bei der wir die vorliegende Erfindung für eine Informationsverarbeitungsvorrichtung verwendet haben. Zunächst den grundlegenden Aufbau der Informationsverarbeitungsvorrichtung beschreibend, wurde der Aufbau nach Fig. 4 verwendet, und anstelle der Probe S wurde ein Aufzeichnungsträger verwendet, und zusätzlich zu dem oben beschriebenen STM-Betrieb wurde ein spezielles Spannungssignal einer Vorspannung durch die Vorspannschaltung 15 überlagert, um eine elektrische Schwingung auf der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers zu veranlassen, entsprechend der augenblicklichen Lage der Sonde 11, um Information auf den Aufzeichnungsträger zu schreiben. Das Auslesen erfolgte anhand eines elektrischen Stromsignals, welches aus dem STM- Betrieb erhalten wurde, oder durch ein Signal, welches kennzeichnend war für die Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Sonde 11. Das Löschen erfolgte durch Anlegen eines vorbestimmten Spannungssignals an die gleiche Stelle, um dadurch die elektrische Zustandsänderung auf der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers in den Ausgangszustand zu erreichen.
Was die spezielle Ausführungsform angeht, so wurde gemäß der Offenbarung der japanischen offengelegten Patentanmeldungen 63-161552 und 63-161553 ein Aufzeichnungsträger aus einem LB-Film (zweilagiger Film) eines Polymers (zum Beispiel Polyimid) von heterozyklischen Verbindungen, die auf eine Elektrode aus Gold (Au) laminiert waren, anstelle der in Fig. 4 gezeigten Probe S verwendet, und es erfolgten eine Aufzeichnung, eine Wiedergabe und ein Löschvorgang. Bei einer solchen Vorrichtung wurde eine Spannung, gebildet durch Überlagern kontinuierlicher Impulswellen mit Scheitelwerten von -6 V und + 1,5 V sowie einer Vorspannung durch die Vorspannschaltung 15, zwischen den Aufzeichnungsträger und die Sonde 11 gelegt, während die Sonde 11 in XY-Richtung abtastend verfahren wurde, so daß der Tunnelstrom konstant wurde. Auf diese Weise erfolgte das elektrische Schreiben von Information, außerdem wurde die Aufzeichnungsfläche erneut von der Sonde 11 abgetastet, und das Auslesen der aufgezeichneten Information erfolgte aus dem STM-Bild unter Ausnutzung einer Schwankung des Tunnelstroms, der von der Tunnelstrom-Nachweisschaltung 16 erfaßt wurde. Im Ergebnis konnte bestätigt werden, daß die Aufzeichnungsinformation und die wiedergegebene Information miteinander bei guter Reproduzierbarkeit auch dann übereinstimmten, als der oben erläuterte Vorgang wiederholt ausgeführt wurde. Hieraus ist ersichtlich, daß die Sonde 1 dazu gebracht werden kann, sich der Aufzeichnungsoberfläche zu nähern, ohne den Aufzeichnungsträger zu beschädigen, auch dann nicht, wenn der oben erläuterte Vorgang wiederholt ausgeführt wird. Außerdem wurde bestätigt, daß, wenn der Vorgang des Überlagerns einer Impulsspannung mit einem Scheitelwert von 3 V und einer Vorspannung zwischen dem Aufzeichnungsträger und der Sonde 11 mit Hilfe der Vorspannschaltung 15 zu dem Zeitpunkt, zu dem die Sonde 11 sich einem Bereich des Aufzeichnungsträgers näherte, auf dem die Aufzeichnung im Zuge der Grobabtastung erfolgte, die aufgezeichnete Information von dem reproduzierten STM-Bildgelöscht wurde. Natürlich konnte auch in diesem Fall die Kollision der Sonde 11 mit dem Aufzeichnungsträger durch den erfindungsgemäßen Annäherungsmechanismus wirksam verhindert werden.
Durch unseren Versuch wurde bestätigt, daß die Aufzeichnungsinformation und die wiedergegebene Information miteinander bei guter Reproduzierbarkeit übereinstimmten, und auch dann, wenn die Abtastung von Aufzeichnung und für die Wiedergabe wiederholt ausgeführt wurden, konnte die Sonde 11 der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers ohne Beschädigung des Aufzeichnungsträgers angenähert werden. Außerdem wurde bestätigt, daß bei Überlagerung einer Impulsspannung mit einem Scheitelwert von 3 V und einer Vorspannung zu einem Zeitpunkt, zu dem die Sonde 11 sich einem Bereich des Aufzeichnungsträgers näherte, auf dem eine Aufzeichnung erfolgte, die aufgezeichnete Information aus dem Wiedergabe-Lesesignal gelöscht wurde.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind Konstruktionsmerkmale und Bewegungshübe des Feinbewegungsteils 12 und des Grobbewegungsteils 13 nicht auf die beschriebenen Werte beschränkt. Auch dann, wenn man zum Beispiel einen Gleichstrom-Servomotor, einen Schneckenantrieb oder dergleichen verwendet, ist die Verwendung möglich, und man sieht einen ähnlichen Nutzen.
Die zweite und die dritte Ausführungsform wurden beide in Verbindung mit Fällen erläutert, bei denen die vorliegende Erfindung bei einem STM zum Messen eines Tunnelstroms als physikalische Informationsgröße und bei einer Informationsverarbeitungsvorrichtung angewendet wird, jedoch läßt sich die vorliegende Erfindung gleichermaßen bei Meßvorrichtungen oder dergleichen anwenden, bei denen die Kraft zwischen Atomen, die Kapazität, der magnetische Fluß, die magnetische Kraft etc. beobachtet werden.
Wie oben erläutert, ermöglicht die Sondenbewegungsvorrichtung nach sowohl dem zweiten als auch dem dritten Ausführungsbeispiel, daß sich die Sonde der Probe annähert, ohne mit letzterer zu kollidieren, so daß die Sonde eingesetzt werden kann, während ihre Spitzenform scharf bleibt, demzufolge man ein höheres räumliches Auflösungsvermögen erzielen kann. Auch wird der Austausch der Sonde überflüssig, weil die Sonde nicht beschädigt wird. Dies führt zur Vereinfachung und kompakten Ausbildung des Systems einer STM-Vorrichtung oder einer Informationsverarbeitungsvorrichtung.

Claims

1. Vorrichtung zum Bewegen einer Sonde (1) und eines vorbestimmten Objekts (S) relativ zueinander, um die Sonde dem Objekt anzunähern, umfassend:

- eine Aktuatoreinrichtung (2, 3) zum Antreiben der Sonde und/oder des Objekts derart, daß sich die Sonde dem Objekt relativ nähert,

- einen Detektorabschnitt (5) zum Nachweisen des Abstands zwischen der Sonde und dem Objekt, und

- einen Steuerabschnitt (14) zum Steuern der Annäherung der Sonde und des Objekts basierend auf dem Nachweisergebnis von dem Detektorabschnitt, um dadurch eine Kollision der Sonde mit dem Objekt zu vermeiden,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Aktuatoreinrichtung derart ausgebildet ist, daß sie die Sonde und das Objekt veranlaßt, sich anzunähern, während die Sonde und das Objekt in einer Richtung parallel zu einer Objektoberfläche relativ bewegt werden, und

- der Detektorabschnitt (5) derart ausgebildet ist, daß er nachweist, daß der Abstand zwischen der Sonde (1) und dem Objekt (S) einen vorbestimmten Abstand erreicht hat, indem er den zwischen der Sonde und dem Objekt fließenden Tunnelstrom, die Kraft zwischen Atomen der Sonde und des Objekts, die Kapazität oder den magnetischen Fluß zwischen der Sonde und dem Objekt erfaßt.

2. Vorrichtung zum Durchführen einer Informationserfassung von einem vorbestimmten Objekt und/oder einer Informationseingabe in das vorbestimmte Objekt, mit Hilfe der Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Informationserfassung von dem Objekt und/oder die Informationseingabe in das Objekt (S) über die Sonde (1) vorgenommen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, umfassend eine Abtasteinrichtung zum abtastenden Führen der Sonde (1) über die Oberfläche des Objekts (S), wobei während des Abtastvorgangs mit Hilfe des Abtastmechanismus die Oberflächeninformation des Objekts über die Sonde erfaßt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Aufzeichnung und/oder Wiedergabe einer Information auf einem Aufzeichnungsträger als dem Objekt (S) über die Sonde vorgenommen wird.

5. Verfahren zum Bewegen einer Sonde (1) und eines vorbestimmten Objekts (S) relativ zueinander, um zu veranlassen, daß sich die Sonde an das Objekt annähert, umfassend:

- einen ersten Schritt zum Antreiben der Sonde und/oder des Objekts derart, daß sich die Sonde und das Objekt relativ nähern,

- einen zweiten Schritt zum Nachweisen des Abstands zwischen der Sonde und dem Objekt, und

- einen dritten Schritt zum Steuern der Annäherung der Sonde und des Objekts basierend auf dem Nachweisergebnis des zweiten Schritts, um dadurch eine Kollision der Sonde und des Objekts zu vermeiden,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Sonde und das Objekt dazu gebracht werden, sich in dem ersten Schritt zu nähern, während die Sonde und das Objekt relativ zueinander in einer Richtung parallel zu einer Objektoberfläche bewegt werden, und

- der Abstand zwischen der Sonde (1) und dem Objekt (S) nachgewiesen wird über den Tunnelstrom, der zwischen der Sonde und dem Objekt fließt, die Kraft zwischen den Atomen der Sonde und des Objekts, der Kapazität oder des magnetischen Flusses oder der Kraft zwischen der Sonde und dem Objekt.