JP2802675B2 - プローブ形成方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、プローブ電極先端を再形成して尖鋭化する
ための機構を備えた情報読取および／または入力装置の
プローブを形成する方法及び装置に関する。このような
情報読取および／または入力装置は、例えば走査型トン
ネル顕微鏡（以下STMという）等の表面観察装置、原子
オーダー（数Å）の単位で情報の書込みおよび読取を行
なうことが可能な高密度・記録・再生装置、ならびに微
小位置決め、寸法測定、測距、および速度計測等におけ
る位置情報測定、特に原子オーダーの分解能を必要とす
る計測制御に用いられるエンコーダ等に用いられる。

［従来技術］ 最近、物質表面および表面近傍の電子構造を直接観察
できる走査型トンネル顕微鏡（STM）が開発され［G.Bin
nig et al.Helvetica Physica Acta,55,726（198
2）］、単結晶、非晶質を問わず実空間像を高い分解能
で測定することができるようになった。しかも媒体に電
流による損傷を与えずに低電力で観測できる利点をも有
し、さらには超高真空中のみならず大気中、溶液中でも
動作し、種々の材料に対して用いることができるため広
範囲な応用が期待されている。

このようなSTMは、金属の探針（プローブ）と導電性
物質の間に電圧を加えて1nm程度の距離まで近づけると
両者の間に電流が流れることを利用している。この電流
は両者の距離変化に非常に敏感であり、電流もしくは両
者の平均的な距離を一定に保つように探針を走査するこ
とにより実空間の表面情報を得ることができる。この
際、面内方向の分解能は１Å以上が可能である。

従来の一般的なSTMは、導電性試料表面と導電性検出
プローブ（プローブ電極）先端部との間に流れるトンネ
ル電流を検出し、トンネル電流が一定になるように、試
料表面と検出プローブとの間隔を電気的フィードバック
により制御し、原子・分子の構造を画像として表示する
方式が採用されている。このようなSTMの分解能はプロ
ーブ先端部の曲率半径で決定される。分解能を上げるた
めには、プローブ先端部をより先鋭にすることが必要と
なる。

一方、近年、記録装置におけるデータの記録容量は益
々大きくなる傾向がある。このような傾向においては記
録単位の大きさが益々小さくなり、その密度がさらに高
くなることが必須要件となる。例えば、光記録によるデ
ジタルオーディオディスクにおいては記録単位の大きさ
は１μm²程度にまで及んでいる。

上述したSTMの原理を応用し、記録媒体として電圧電
流のスイッチング特性に対してメモリ効果をもつ材料、
例えば、π電子系有機化合物やカルコゲン化物類の薄膜
層等を用いれば、記録単位が0.001μm²以下の情報記録
が可能である。これらの記録媒体を用いて高密度記録・
再生を行なう装置構成としては、第12図に示すように、
記録層101の面内に記録・再生を任意の場所で行なうた
めのプローブ電極102が数nmオーダーの距離まで近接し
た状態で保持され、プローブ電極102と記録層101を相対
的に移動させるための微動制御機構107やXYステージ114
等が設置されているような装置が一般的である。

高密度記録・再生を行なうためには、記録媒体の記録
単位が小さいことは、勿論のこと、面内分解能を左右す
るプローブ電極先端が原子・分子レベルに尖鋭であるこ
とが必要である。

すなわち、原子オーダーの分解能で試料の観察を行な
うSTM等の観察装置や、このSTMの原理を応用して原子オ
ーダーの単位で情報の書込みおよび読取を行なうことが
可能な高密度記録・再生装置においては、プローブ先端
部をより先鋭にすることが必要となる。

そのために、一般的なプローブ電極として、白金やタ
ングステン棒の先端を機械的研摩により円錐状に尖らせ
たものや、電解研磨法により先端を先鋭化したものが用
いられている。

しかしながら、上述した表面観察装置や記録・再生装
置を実際に動作させた場合、先端が先鋭なプローブ電極
と情報担体である観察試料や記録媒体が数nm程度に接近
しているため、これらのプローブ電極と情報担体が動作
中に接触してしまうという危険がある。また、大気中で
装置を動作させる場合、大気中のコンタミネーションが
プローブ電極先端に付着する場合がある。この際、プロ
ーブ電極先端は、原子・分子レベルの解像度をもたない
分解能の低いプローブ電極となる。これは、装置全体の
分解能や記録密度の低下および信頼性の低下等、装置性
能の低下につながる。このため、プローブ電極を交換ま
たは再生することが必要である。交換には、予め電解研
摩法や電解放電法を用いて形成したプローブ電極を用い
る。また、プローブ電極の再生方法としては、特開昭63
−26501に開示されているように真空室内でプローブ先
端部を加熱しながら、高電界を印加する方法や超高真空
室内で電解蒸発させて先端部を再生させるという手法が
ある。

しかしながら、上記従来例は、形成あるいは再生され
た針の形状がまちまちでSTMでの表面観察中や記録・再
生装置での記録・再生の分解能が取りつけた針毎あるい
は再生毎に異なってしまうという欠点があった。

原子オーダーの先端形状を有するプローブ電極を用い
る第３の例として、前述のエンコーダを挙げることがで
きる。

従来のエンコーダは、位置または角度に関する情報を
有する基準目盛と、これと相対的に移動して位置または
角度に関する情報を検出する検出手段とで構成されてい
た。そして、このようなエンコーダは、その基準目盛と
検出手段によっていくつかのタイプに分類され、例えば
光学式エンコーダ、磁気式エンコーダ、静電容量エンコ
ーダ等があった。

また、原子オーダーの分解能を有するエンコーダに
は、既に周知の、試料表面の情報を原子分解能で観察可
能な米国特許第4343993号記載の走査型トンネル顕微鏡
の基本原理を応用した、特開昭62−209302号公報記載の
平行移動量検出装置があった。

従来、このようなエンコーダには長さに関する基準と
なる目盛と、この目盛に近接して設けられている探針
（プローブ）とが具備されており、駆動機構を備えた基
準目盛と探針との間に流れるトンネル電流を信号源と
し、その情報を信号処理してエンコードする機能があ
る。

上記エンコーダのトンネル電流を検知する探針は、既
に周知の電解研摩法を用いて、先鋭な針を作製し用いる
のが一般的であった。他には、機械研摩を用いる方法等
があった。

しかしながら、トンネル電流を検出する原子オーダー
の先鋭さを有する探針の機能は、エンコーダの核となる
部分で、この探針の性能は、直接エンコーダの性能にか
かわってくるものであるが、基準目盛と探針との間に流
れるpA〜nAオーダーのトンネル電流を制御し検知するの
に、前記基準目盛と探針との距離を数nmの非常に近接し
た状態にする必要があり、音響振動や床振動により接触
するという可能性が生じ、探針先端部が損傷して原子分
解能を持たない探針となり、原子オーダーの測長ができ
なくなってしまう。これを形成、又は再生しようとする
場合前述と同様針毎あるいは再生毎に分解能が異なると
いう問題点を有していた。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、上述の各従来例における問題点に鑑みてな
されたもので、観察試料、記録媒体および基準目盛等の
情報担体に対しプローブ電極を用いて情報の読取および
／または入力を行なう観察装置、記録・再生装置および
エンコーダ等の情報読取および／または入力装置におい
て、プローブ電極の交換、再生を行なっても分解能が一
定であるようにして、装置の精度安定度を向上させるこ
とを目的とする。

［課題を解決するための手段および作用］ 上記課題を解決するため、本発明では情報担体に近接
させたプローブを介して情報担体に対し情報読取り及び
／又は情報入力を行なう装置のプローブを形成する際
に、プローブを形成すべき箇所に電圧を印加するための
電極を対向させ、前記電極とプローブ形成箇所との間隔
情報を検出し、前記検出の結果に基づいて前記プローブ
形成箇所の前記電極に対する相対位置を制御し、前記相
対位置制御されたプローブ形成箇所に前記電極を介して
電圧を印加してプローブを形成する様にしている。

［作用および効果］ 本発明によれば、電極とプローブ形成箇所との間隔を
検出してこの検出結果から間隔制御して電圧を印加する
事によりプローブを形成する様にしているので、プロー
ブ形成時の間隔を正確に制御する事が可能でその結果所
望の形状に正確に形成可能である。例えば、安定して常
に一定間隔に制御して電圧印加ができ、形成条件を等し
くできた結果形成プローブの形状を一定化する事が可能
である。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

第１の実施例 第１図、第２図および第３図は、本発明の一実施例に
係る表面観察装置の構成を示す。

第１図において、11はタングステン、白金、白金イリ
ジウムまたは白金ロジウム等の導電性材料を電解研摩法
や機械的研摩等により先端を尖鋭した導電性プローブ
（プローブ電極）、12は導電性の材料をスパッタ法やめ
っき法等により作製した導電性プローブ被覆材料、13は
導電性プローブ被覆材料12で被覆された導電性プローブ
11の先端に形成された微小突起、14は微小突起13を形成
するために設置されたプローブ再生用電極、15は導電性
プローブ11を用いて表面観察するための観察試料、16は
プローブ再生用電極14と観察試料15を設置しそれを回転
させるための回転試料台、17はプローブ11を３次元方向
に変位させるための微動用円筒圧電素子、18はプローブ
11を電極から数nmの位置まで接近させるための粗動用圧
電素子、19は回転試料台16を回転させるための試料台回
転機構、20はプローブ再生用電極14と観察試料15を設置
するための基板である。

第２図において、21はバイアス電源、22はパルス電
源、23はリレー回路、24はパルス電流検出回路、25は電
流電圧変換器、26は対数変換器、27は比較器、28は積分
器、29はマイクロコンピュータ、30は増幅器、31は微動
用円筒圧電素子17を３次元に走査する３次元走査回路、
32はプローブ11を電極に接近させるための粗動制御回
路、33は試料台回転機構19を回転および位置制御するた
めの回転機構位置制御手段、34は表示装置を示す。

第３図は、プローブ11とプローブ再生用電極14間の拡
大詳細図である。

上記の構成によりプローブ先端の劣化や損傷を回復さ
せる表面観察装置について、第１図、第２図および第３
図を用いてさらに詳細な説明を行なう。

本発明に係るプローブ再生用電極14は、回転試料台16
の中心より離れた位置に基板20上に設置されている。プ
ローブ再生用電極14の材料には、白金蒸着膜を用いた。
基板20の材料には、コーニング社製の7059ガラス基板を
用いた。観察試料15は、回転試料台16の中心を軸とし
て、プローブ再生用電極14と点対称（180゜回転）の位
置に基板20上に設置されている。観察試料15の材料とし
て、高配向グラファイト（以下HOPGという）を用い、予
め劈開して出した清浄面を観察面とした。

次に、微小突起13を形成するプローブ11先端部分につ
いて説明する。プローブ11の材料には、タングステンを
用いた。タングステンプローブの尖鋭化するために一般
的な電解研摩法を用いて作製した。電解研摩により作製
されたタングステンプローブの先端曲率半径は0.1マイ
クロンメートル程度であった。電解研摩により作製した
プローブ11の先端部分に、イオンビームスパッタ装置を
用いて、金を10ナノメートル程度被覆した。

次に、上述の構成からなる本実施例の表面観察装置を
大気中にて動作させる。プローブ11とプローブ再生用電
極14との間の距離が、数ナノメートルの一定状態になる
ように制御するために、バイアス電源21が100ミリボル
トの電圧に設定された状態で電流−電圧変換器25、対数
変換器26、比較器27、積分器28、増幅器30を通じた電気
的フィードバック信号を微動用円筒圧電素子11に与え
る。円筒圧電素子11の変位量は、１キロボルト当り１マ
イクロンメートルである。プローブ11とプローブ再生用
電極14の間およびプローブ11と観察試料15の間の位置検
知手段としてトンネル電流を利用した。電気的フィード
バックが微動用円筒圧電素子17に与えられた状態で、パ
ルス電源22にパルス巾４マイクロセカンド、パルス高さ
４ボルトの条件値を印加し、第３図（ｂ）に示すよう
な、微小突起13を形成した。形成された微小突起13は、
高さ10ナノメートル、底面積15平方ナノメートルの大き
さであった。この微小突起13が形成されるメカニズムと
しては、高電圧パルス印加により、瞬時に材料が溶融
し、冷却されることによるものか、あるいは、原子・分
子間の結合鎖が切れ、安定状態になった形が、山状のも
のとして形成されたものかのどちらかによるものと想定
されるが、パルス電圧印加によるプローブ11の先端にか
かるジュール熱が、かなり大きいものであることから、
本発明者は、前者の熱的メカニズムによるものと考えて
いる。したがって、前述のプローブ材料、プローブ被覆
材料および電極の材料は、何ら上述のものに限定される
ものではなく、適時選択できるが、電極よりもプローブ
被覆材料の方が高融点であることが必要となる。

検出されるトンネル電流が決められた所定の値となる
様に電気的フィードバックが与えられるので、プローブ
11と電極14との間は正確に所定の間隔に保たれ、プロー
ブ形成、再生毎にこれを行なうことにより微小突起形状
を正確に一定化できる。

このようにして、プローブ11の先端部に微小突起13を
形成した後、粗動用圧電素子18（変位量:100Vあたり10
マイクロンメートル）と粗動制御回路32を用い、プロー
ブ11とプローブ再生用電極14との間の距離を５マイクロ
ンメートル程度に広げ、試料台回転機構19と回転機構位
置制御手段33を用い、回転試料台16を180゜回転させ、
観察試料15をプローブ11の対向位置になるように移動さ
せ、再び粗動用圧電素子18と微動用円筒圧電素子17を用
いて、微小突起13と観察試料15間距離が数ナノメートル
になるようにトンネル電流を検出しながら電気的制御を
行なう。

次に、微小突起13と観察試料15との間の距離が一定に
なるように電気的フィードバックを掛けながら、粗動用
圧電素子18と微動用円筒圧電素子17の駆動電圧に基づい
てプローブ11の動き、すなわち観察試料15の表面形状を
マイクロコンピュータ29で画像化し、表示装置34に出力
させた。この結果、HOPGの原子像が高分解能で得られる
ことを確認できた。また、HOPG像の観察中に、外部から
の突発的な振動により、プローブ11の先端の微小突起13
が損傷を受け、HOPGの原子像が得られなくなった。

このため、再び、プローブ11先端部に微小突起13を形
成する工程を必要とする。この動作として、粗動用圧電
素子18を用いてプローブ11と観察試料15との間を５マイ
クロンメートル程度まで離し、次に、試料台回転機構19
を用いて回転試料台16を180゜回転させ、再び、プロー
ブ11の対向位置にプローブ再生用電極14を位置させた。
そして、初期状態の微小突起13を形成したと同様の方法
で、パルス電圧を印加することにより、再度微小突起13
を形成させることができた。

以上説明したような、素子・材料・電気回路の構成
で、本発明のプローブ再生機能を持った、表面観察装置
を提供することができた。

なお、上記実施例においては、プローブ再生のパルス
高さを４ボルト、パルス巾を４マイクロセカンドに設定
して実施したが、本発明は、プローブ被覆材料およびプ
ローブ再生用電極の材料により適切な値を設定して実施
できるものであり、何ら本実施例の条件値に限るもので
はない。

また、本実施例では、本発明を表面観察装置としての
STMに適用した例について説明したが、本発明は何らSTM
に限定されるものではなく、AFM等、他の観察装置にも
適用できることは言うまでもない。

以上説明したように、本実施例によれば、装置内部で
プローブ先端の曲率半径の向上によるプローブの高分解
能化が実現でき、かつプローブや観察試料の劣化や損傷
を防ぐ非加熱の再生機構を備えることが可能となり、手
間を掛けずに装置性能とその再現性を向上することがで
きるという大きな効果があった。

第２の実施例 上述の観察装置に対して、観察試料の代わりに記録媒
体を用いると、記録・再生装置となる。

ここでは、記録媒体15として、電圧−電流のスイッチ
ング特性に対してメモリ効果を持つスクアリリウム−ビ
ス−６−オクチルアズレンをグラファイト基板上にLB法
を用いて８層累積したものを用いた実施例を説明する。

先ず、微小突起13を形成するプローブ11先端部分につ
いて説明する。プローブ11の材料には、上記観察装置と
同様のタングステンを用いた。タングステンプローブを
尖鋭化するために一般的な電解研摩法を用いて作製し
た。電解研摩により作製されたタングステンプローブの
先端曲率半径は0.1マイクロンメートル程度であった。
電解研摩により作製したプローブ11の先端部分に、イオ
ンビームスパッタ装置を用いて、金を10ナノメートル程
度被覆した。

次に、上述の素子・媒体の構成で、本実施例に係る高
密度記録・再生装置を大気中にて動作させる。プローブ
11とプローブ再生用媒体14との間の距離が数ナノメート
ルの一定状態になるように制御するために、バイアス電
源21が100ミリボルトの電圧に設定された状態で、電流
−電圧変換器25、対数変換器26、比較器27、積分器28お
よび増幅器30を通じた電気的フィードバック信号を微動
用円筒圧電素子11に与える。円筒圧電素子11の変位量
は、１キロボルト当り１マイクロンメートルである。プ
ローブ11とプローブ再生用電極14との間およびプローブ
11と記録媒体15との間の位置検知手段としてトンネル電
流を利用した。電気的フィードバックが微動用円筒圧電
素子17に与えられた状態で、パルス電源22にパルス巾４
マイクロセカンド、パルス高さ４ボルトの条件値を印加
し、第３図（ｂ）に示すような微小突起13を形成した。
形成された微小突起13の大きさは、高さ10ナノメート
ル、底面積15平方ナノメートルであった。

前述実施例同様、検出トンネル電流が決められた所定
の値となる様に電気的フィードバックが与えられるので
プローブ11と媒体との間は正確に所定の間隔に保たれ、
プローブ形成、再生毎にこれを行なうことにより微小突
起形状を正確に一定化できる。

このようにしてプローブ11の先端部に微小突起13を形
成した後、粗動用圧電素子18（変位量:100Vあたり10マ
イクロンメートル）と粗動制御回路32を用い、プローブ
11とプローブ再生用電極14との間の距離を５マイクロン
メートル程度に離し、試料台回転機構19と回転機構位置
制御手段33を用い、回転試料台16を180゜回転させ、記
録媒体15をプローブ11の対向位置になるように移動させ
た後、再び粗動用圧電素子18と微動用円筒圧電素子を用
い、微小突起13と記録媒体15間距離が数ナノメートルに
なるように電気的制御を行なう。このときの電流値は10
0ピコアンペアであった。この状態で、記録・再生が行
なえる状態となる。記録は３次元走査回路31を用いてプ
ローブ11を任意の場所に移動させ、パルス電源22を用い
て、微小突起13と記録媒体15との間に電気メモリ効果を
生じる閾値電圧である1.5ボルトを越える２ボルト、パ
ルス巾１マイクロセカンドの電圧を印加した結果、電気
的にオン状態（電流がオフ状態に比べ３ケタ以上多く流
れる状態）を記録媒体15に書き込むことができた。この
記録位置を再びトレースし、オン状態を再生することが
可能であった。

記録・再生中に、微小突起11先端が記録媒体15に接触
してその先端部が破壊され、原子・分子分解能がなくな
ったため、プローブ11の先端部を再生することが必要と
なった。したがって、再び、プローブ11先端部に微小突
起13を形成する工程を必要とする。この動作として、粗
動用圧電素子18を用いて、プローブ11と記録媒体15間を
５マイクロンメートル程度離し、次に、試料台回転機構
19を用いて、回転試料台16を180゜回転させ、再び、プ
ローブ11の対向位置にプローブ再生用電極14を設定させ
た。そして、初期状態の微小突起13を形成した方法と同
様に、パルス電圧を印加し、再度、微小突起13を形成さ
せることができた。

以上説明したような素子・材料・電気回路の構成で、
プローブ再生機能を持った高密度記録・再生装置を提供
できた。

なお、上記実施例においては、スクアリリウム−ビス
−６−オクチルアズレソをグラファイト基板上にLB法を
用いて８層累積したものを記録媒体15としてを用いた例
を示したが、記録媒体（記録層）の材料としては書き込
み、消去のできるものであれば何でもよく、また、媒体
の作製方法についても、なんらこれらに限定する必要は
ない。

また、上記実施例においては、プローブ再生のパルス
高さを４ボルト、パルス巾を４マイクロセカンドとして
いるが、これらのパルス高さおよびパルス巾は、プロー
ブ被覆材料およびプローブ再生用媒体の材料により適切
な値を設定して実施できるものであり、なんら本実施例
の条件値に限るものではない。

第３および第４の実施例 次に、第３および第４の実施例について第４図および
第５図を用いて説明する。第４図は、記録媒体15内の１
箇所にプローブ再生用電極14を設置した実施例であり、
第５図は、放射状にプローブ再生用電極14を設置した実
施例を示す。第４図および第５図において、31はプロー
ブ11を記録媒体15の半径距離以上の移動を生ぜしめる一
軸ステージである。これらの実施例では、記録媒体15へ
の記録方式として、ディスクドライブ方式を採用した。
これらの実施例は、高速、高密度を達成するために記録
媒体15へ同心円状もしくはうず巻状に記録を行なうよう
にした場合のプローブ再生用電極14の配置場所の改良を
行なった実施例である。プローブ再生用電極14を、第４
図では記録媒体の中心部分に配置し、第５図では中心部
分を含む放射状に配置した。第３および第４の実施例の
微小突起13の形成方法および再生方法は、第２の実施例
で説明した方法および条件値と同様に実施した。また、
記録媒体15への書き込み方法および条件値も前記第２の
実施例と同様にして実施した。

以上説明したように、第２〜第４の実施例によれば、
高密度記録・再生装置に、パルス印加回路とプローブ再
生用媒体とプローブ被覆材料を付加するだけの簡単な構
成で、隔離をせずに装置内でプローブ先端の劣化や損傷
を防ぎ、再生することが可能となり、装置製造が比較的
簡便でかつ記録および再生の安定性および信頼性が向上
し、高密度・再生装置として大きな効果があった。

第５の実施例 第６図は、本発明の第５の実施例に係るエンコーダの
構成を示し、第７図は、第６図における信号処理回路Ａ
と信号処理回路Ｂに共通のブロック回路構成を示す。

第６図において、対象物101と対象物102は、相対的に
横方向（紙面内左右の方向）にのみ移動できるように設
置されている。

対象物101には、２つの探針（プローブ電極）11aおよ
び11bが設けられており、各探針11a,11bの表面には、探
針被覆材料12aおよび12bと微小突起（微小突起の形成方
法については後述する）13aおよび13bがそれぞれ設けら
れている。対象物102には、それぞれ試料台回転機構19a
および19bによって回転される試料台18aおよび18b上
に、基準目盛15aおよび15bと探針再生用電極14aおよび1
4bが設置されている。探針11a,11bの先端部に形成され
た微小突起13a,13bの先端と基準目盛15a,15bとの間に
は、バイアス電源21a,21bによってバイアス電圧が加え
られている。微小突起13a,13bの先端と基準目盛15a,15b
とは、それらの間にトンネル電流10a,10bが流れる程度
まで近づけられている。

ここで、２つの微小突起13a,13bから流れるトンネル
電流10a,10bは、それぞれ信号処理回路Ａと信号処理回
路Ｂに入り、第７図に示す電流電圧変換回路107によっ
て電圧に変換され、増幅回路108によって増幅された
後、対数変換回路109によって対数変換される。

また、２つの探針11a,11bは、探針振動手段110a,110b
によって、対象物101と対象物102の相対移動方向に振動
数ｆ、振幅ｄで振動する。探針振動信号は、発振器111
から出力される振動数nfの矩形波2aを分周回路112およ
び波形変換回路112a,12bによって振動数ｆの三角波に変
換したもので、増幅器114によって増幅後（信号2c）、
探針振動手段110a,110bに加えられる。ここで、探針11
a,11bを振動させる代わりに、基準目盛振動手段を対象
物102に設け、基準目盛15a,15bを振動させてもよい。

さらに、対象物101と対象物102が横方向に相対移動す
る際、探針と基準目盛の平均間隔が一定となるように
（検知トンネル電流の平均値が一定となるように）、対
数変換回路109からの出力信号を検知し、平均トンネル
電流値設定回路115、ローパスフィルタ116、および増幅
回路117によってフィード・バックループを形成し、探
針縦方向位置制御手段17a,17bによって探針と基準目盛
の間隔を制御する。このとき、ローパスフィルタ115の
カットオフ周波数は、基準目盛上を探針が横方向に振動
することによって生ずるトンネル電流の速い変調成分を
取り除き、対象物101と対象物102が横方向に相対移動す
る際、基準目盛の傾き等によるトンネル電流のゆっくり
とした変化分を通すように選ぶ。

探針振動手段110a,110bによる探針の振動によって、
探針−基準目盛間に流れるトンネル電流10a,10bには探
針が基準目盛上を走査することによる周波数（2d/p）ｆ
の変調成分が現われる（ｐは基準目盛間隔）。ここで、
対象物101と対象物102が相対的に横方向に移動すると、
上記トンネル電流10a,10bに現われる周波数（2d/p）ｆ
の変調成分が基準信号（例えば、探針振動信号）に対し
て位相ずれを起こす。信号の１周期（２πの位相ずれ）
が基準目盛１目盛分の探針と基準目盛との相対横ずれに
対応しているので、この位相ずれを検知することにより
対象物101と対象物102の相対的横方向移動量を検知する
ことができる。

以下、第８図および第９図を用いて第７図の信号処理
回路の動作を説明する。

トンネル電流に現われる周波数（2d/p）ｆの変調成分
は、電流電圧変換回路107、増幅回路108、対数変換回路
109、およびバンドパスフィルタ118を経て取り出され
（図中、2d）、二値化回路119によって二値化された
後、信号2eとなる。ここで、ｄ＝2p/nとなるように探針
振動手段110（110a,110b）に加える探針振動信号2cの振
幅（増幅回路114のゲイン）を調整し、信号2eの周波数
をnfに一致させる。さらに発振器111からの信号2aを分
周回路112によって周波数を1/nに分周した信号2bを参照
信号として、信号2eをアナログスイッチ120によって２
つの信号2fと2gに分離する。

また、信号2bを参照信号として、信号2aをアナログス
イッチ121によって２つの信号2hと2iに分離する。

ここで、信号2fと信号2hとを位相比較器122に入力
し、位相差出力信号2jを平均化回路123によって平均化
し信号2kを得る。さらに位相差が2nπ（n:整数）となる
ごとに、例えば位相差出力信号2k（3a）のゼロ・クロス
点を二値化回路124によって検知し、パルスを発生させ
（信号3b）、アップ・ダウンカウンタ125でパルス数で
計数することにより、信号2fと信号2hの相対位相ずれを
検知することができる。

このとき、カウンタ125に入力する位相ずれ方向信号
すなわち、アップ・ダウン条件（符号）は次にようにし
て求める。発振器111からの出力信号2aから位相シフタ1
26、およびアナログスイッチ127を用いて信号2hに対し
て位相が90゜ずれた信号2lを生成する。信号2fと信号2l
を位相比較器128に入力し、位相差出力信号2mを平均化
回路129によって平均化し、信号2n（3d）を得る。さら
に信号3dを二値化回路12a,13b0によって二値化して位相
ずれ方向信号すなわち、アップダウンカウンタ入力アッ
プダウン信号3eとする。

このようにして、対象物101と対象物102の横方向相対
移動量を検知することができる。この相対移動量信号3c
は、各信号処理回路ＡおよびＢからそれぞれエンコーダ
出力ａおよびｂとして送出される。

なお、この実施例による方式では、位相ずれ１周期分
（２π）が、基準目盛１目盛分の相対移動量に対応して
いる。また、この実施例中では触れなかったが、信号2g
と2iについても同様の信号処理を行なって相対移動量を
検知することができる。

次に、第６図のエンコーダ出力ａとエンコーダ出力ｂ
の信号を比較する。第10図に、信号処理回路Ａと信号処
理回路Ｂ内の各信号3a,3e,3cの波形を示す。微小突起13
aおよび13bに対向した位置に設けられている基準目盛15
aおよび15bには同一の基準目盛を用いた。したがって、
エンコーダ出力ａおよびｂは、同一波形となるはずであ
るが、第10図において両者の波形を比較してみると、信
号処理回路ＢのＸ位置で信号に非周期性が現われている
ことがわかる。これは、信号処理回路ＢのＸの位置で、
微小突起13bの先端が、接触による損傷等の影響で、原
子分解能を有する本実施例のエンコーダ用探針としては
不適当なものになってしまったものである。

この際の探針性能の良否は、第７図紙面内右上の探針
性能検査回路200内で判断される。検査するための回路
構成については、探針11aあるいは11bから検知されるト
ンネル電流の変化を、電流電圧変換回路107、増幅回路1
08、対数変換回路109により電気信号に変換し、バンド
パスフィルタ201で、出力信号4aにのってくる周波数2d/
p f₁の変調成分を取り出し、全波整流回路202により整
流し、積分回路203で信号を平均化し、比較器204であら
かじめ設定した探針性能の基準となる信号を出力する基
準電源205と平均化信号を比較し、探針性能の良否を決
定し検査出力とする。この検査出力から微小突起13aあ
るいは、13b先端の損傷を判断できる。

測長は、微小突起13aと基準目盛15aとの間で途切れず
に行なわれているが、いつ、探針11aの先端部が損傷す
るかわからないため、既に損傷したもう一方の微小突起
13bを再形成しておく必要がある。

再形成を行なうための操作を以下に述べる。本実施例
では、微小突起13b先端部が損傷を受けているので、第
６図紙面内左側の再形成機構を用いた。第６図紙面内右
側のエンコーダ機構はそのまま測長を続けてもよい。ま
ず、微小突起13bと基準目盛15bは、トンネル電流が流れ
る距離という、かなり近接した状態にあるので、探針縦
方向位置制御手段17bを用いて、探針11bを基準目盛15b
から待避させる。そして、基準目盛15bと探針再生用電
極14bが設置された試料台16bを試料台回転機構19bと回
転機構位置制御手段33bを用いて180゜回転させ、微小突
起13bの対向位置に探針再生用電極14bが来るように調整
する。待避させておいた微小突起13bを先端部に持つ探
針11bを探針再生用電極14bにトンネル電流が流れる距離
まで接近させる。この状態で、前述のフィードバックル
ープを用いて前述の実施例同様に探針11bと電極14bの間
隔を決められた所定の値に制御し、そして、パルス電源
22bを用いて微小突起13bを再形成する。これで、微小突
起を再形成することができたので微小突起13bを待避さ
せ、微小突起13bの対向位置に基準目盛15bがくるように
調整し、基準目盛15bにトンネル電流が流れる距離まで
微小突起13bを接近させる。以上の操作により、損傷し
た探針先端を再形成することが可能であった。

以上説明したように、この実施例によると、損傷した
探針を再形成することが可能であり、かつ再形成してい
る間は、もう一方の探針が測長を継続しているため、測
長を正確に行なうことが可能となり、装置の信頼性が大
きく向上したエンコーダを提供することができた。

以下に実施例に使用した、微小突起13（13aまたは13
b）の形成方法を第６図と第11図を用いて詳細に説明す
る。

本実施例の探針再生用電極14（14a,14b）の材料に
は、白金蒸着膜を用いた。この白金膜は、コーニング社
製鋭の7059ガラス基板上にイオンビームスパッタ装置を
用いて蒸着した。探針11（11a,11b）の材料には、タン
グステンを用いた。タングステン探針を尖鋭化するため
に、一般的な電解研摩法を用いて作製した。電解研摩に
より作製した探針11の先端曲率半径は、0.1マイクロン
メートル程度であった。さらに、作製した探針11の先端
部分に、イオンビームスパッタ装置を用いて金を15ナノ
メートル程度被覆した。上述の探針11の先端部分と探針
再生用電極14との間の距離は、トンネル電流が流れる距
離まで近接している。この状態で検出トンネル電流を用
いて両者の間隔を正確に所定の値に制御し、パルス電源
22a,22bから、パルス巾４マイクロセカンド、パルス高
さ４ボルトの条件値を探針11と探針再生用電極14との間
に印加し、第６図（ｂ）に示すような微小突起13（13a,
13b）を形成した。形成された微小突起13の大きさおよ
び形状は高さ10ナノメートル、底面積15平方ナノメート
ルの円錐状のものであった。この微小突起が形成される
メカニズムとしては、高パルス電圧印加により局所的に
瞬時に材料が溶融し、かつ電界が探針と試料間に生じて
いるため、溶融した材料は、探針−試料間で引っ張り合
う力が生じ、突起状の山が形成されるものと考えてい
る。したがって、前述の探針材料、探針被覆材料、およ
び探針再生用電極の材料は、上述した材料に限定される
ものではなく、適宜選択することができるが、探針再生
用電極よりも探針側の材料の方が低融点であることが必
要となる。

なお、上記実施例において、探針再形成のためのパル
ス高さおよびパルス巾を特定して実施したが、探針側の
材料および探針再生用電極の材料により適切な値を設定
して実施できるものであり、なんら本実施例の条件値に
限るものでない。

以上説明したように、本実施例のエンコーダは、装置
内部に探針再生機構を備えていることにより、損傷を受
けた探針を手間をかけずに、かつエンコーダの性能を低
下させずに初期の安定な探針に再生することが可能とな
り、従来のエンコーダがもつ探針が損傷した場合には測
長ができなくなってしまうという問題点を克服すること
ができ、高安定なエンコーダを提供できるという大きな
効果があった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１および第２の実施例に係る観察
装置および記録・再生装置に共通の立体図、 第２図は、第１図の装置の電気ブロック図、 第３図は、第１図の装置におけるプローブ先端部分の拡
大図、 第４図および第５図は、それぞれ本発明の第３および第
４の実施例に係る記録・再生装置の立体図、 第６図は、本発明の第５の実施例に係る、複数のトンネ
ル電流検知によるエンコーダの構成図、 第７図は、第６図における信号処理回路部分のブロック
構成図、 第８図、第９図および第10図は、信号処理回路において
得られる信号を示す波形図、 第11図は、第５の実施例の探針形成の基本原理図、そし
て 第12図は、従来の記録・再生装置の概略の構成図であ
る。 10a,10b:トンネル電流 11,11a,11b:探針（プローブ電極） 12,12a,12b:プローブ被覆材料 13,13a,13b:微小突起 14,14a,14b:プローブ再生用電極 15:情報担体（記録媒体および観察試料） 15a,15b:情報担体（基準目盛） 22,22a,22b:パルス電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 能瀬 博康 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 宮▲崎▼ 俊彦 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−265101（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−149355（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−179202（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−98868（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−1949（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−209302（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G11B 9/00 G01B 7/34 Z

Claims (15)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】情報担体に近接させたプローブを介して情
   報担体に対し情報読取り及び／又は情報入力を行なう装
   置のプローブを形成する方法において、プローブを形成
   すべき箇所に電圧を印加するための電極を対向させ、前
   記電極とプローブ形成箇所との間隔情報を検出し、前記
   検出の結果に基づいて前記プローブ形成箇所の前記電極
   に対する相対位置を制御し、前記相対位置制御されたプ
   ローブ形成箇所に前記電極を介して電圧を印加してプロ
   ーブを形成することを特徴とするプローブ形成方法。
2. 【請求項２】情報担体に近接させたプローブを介して情
   報担体に対し情報読取り及び／又は情報入力を行なう装
   置のプローブを形成する装置において、プローブを形成
   すべき箇所に電圧を印加するための電極とプローブ形成
   箇所との間隔情報を検出する検出手段と、前記検出手段
   の検出結果に基づいて前記プローブ形成箇所の前記電極
   に対する相対位置を制御する位置制御手段と、前記位置
   制御手段により相対位置制御されたプローブ形成箇所に
   前記電極を介して電圧を印加してプローブを形成する手
   段を有することを特徴とするプローブ形成装置。
3. 【請求項３】情報担体に近接させたプローブを介して情
   報担体に対し情報読取り及び／又は情報入力を行なう装
   置において、不良化した前記プローブを再形成すべく電
   圧を印加するための電極と不良化したプローブとの間隔
   情報を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に
   基づいて前記不良化したプローブの前記電極に対する相
   対位置を制御する位置制御手段と、前記位置制御手段に
   よって相対位置制御した状態で前記電極を介して電圧を
   印加してプローブを再形成する手段を有することを特徴
   とする情報読み取り及び／または入力装置。
4. 【請求項４】前記検出手段は前記プローブと前記電極と
   の間に流れるトンネル電流を検出して前記間隔情報を検
   出することを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の情
   報読み取り及び／または再生装置。
5. 【請求項５】前記不良化したプローブの再形成は非加熱
   状態で成されることを特徴とする特許請求の範囲第３項
   記載の情報読み取り及び／または再生装置。
6. 【請求項６】前記プローブが、導電性材料で被覆されて
   いることを特徴とする請求項３記載の情報読取および／
   または入力装置。
7. 【請求項７】前記プローブ材料の融点が、前記電極の融
   点よりも低いことを特徴とする請求項３記載の情報読取
   および／または入力装置。
8. 【請求項８】前記電極が、前記プローブに平面で対向し
   ていることを特徴とする請求項３記載の情報読取および
   ／または入力装置。
9. 【請求項９】前記電極が、前記情報担体と同一主平面上
   に配置されていることを特徴とする請求項３記載の情報
   読取および／または入力装置。
10. 【請求項１０】前記情報担体としての観察試料と前記プ
    ローブとの間にトンネル電流を流して該観察試料の表面
    形状を観察する観察装置である請求項３または９記載の
    情報読取および／または入力装置。
11. 【請求項１１】前記プローブを用い前記情報担体として
    の記録媒体に対して情報の記録再生を行なう記録再生装
    置である請求項３記載の情報読取および／または入力装
    置。
12. 【請求項１２】前記電極が、前記記録媒体と同一主平面
    上に配置されていることを特徴とする請求項11記載の情
    報読取および／または入力装置。
13. 【請求項１３】前記記録媒体を前記電極の近傍に配置す
    ることを特徴とする請求項12記載の情報読取および／ま
    たは入力装置。
14. 【請求項１４】前記電極を、前記記録媒体の内側に配置
    したことを特徴とする請求項13記載の情報読取および／
    または入力装置。
15. 【請求項１５】長さに関する基準となる導電性基準目盛
    を前記情報担体として備え、かつ該基準目盛面に先端を
    近づけて配置された前記プローブと、該基準目盛と該プ
    ローブとの間に電圧を印加する手段と、該基準目盛と該
    プローブの間に流れるトンネル電流値を検出するトンネ
    ル電流値手段と、該トンネル電流値に基づき該基準目盛
    と該プローブとの横方向の相対動き量に応じた信号を出
    力する手段と、該信号出力手段の出力信号に基づいて該
    基準目盛と該プローブとの横方向の相対動き量および相
    対動き方向を検知する手段と、該横方向相対動き量信号
    と該相対動き方向信号から該基準目盛と該プローブの横
    方向相対変位量を計数する手段とを具備するエンコーダ
    である請求項３または９記載の情報読取および／または
    入力装置。