JP3246987B2 - マルチプローブ制御回路を具備する情報処理装置 - Google Patents

マルチプローブ制御回路を具備する情報処理装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は複数のプローブと記録媒
体との物理的相互作用により情報の書き込みまたは読み
出しを行う記録再生装置、あるいは走査型トンネル顕微
鏡（ＳＴＭ）あるいはＳＴＭを応用した情報処理装置に
関し、より詳しくは、記録再生に用いられる複数のプロ
ーブの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、導体の表面原子の電子構造を直接
観察できる走査型トンネル顕微鏡（以後、ＳＴＭと略
す）が開発され［G. Binnig et al. Phys. Rev. Lett,
49, 57 (1982) ］、単結晶、非晶質を問わず実空間像の
高い分解能の測定ができるようになった。
【０００３】ＳＴＭは金属の探針（プローブ電極）と導
電性物質間に電圧を加えて１ｎｍ程度の距離まで近付け
るとトンネル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る。トンネル電流
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
全電子雲に関する種々の情報をも読み取ることができ
る。このとき面内方向の分解能は０．１ｎｍ程度であ
る。
【０００４】したがって、ＳＴＭの原理を応用すれば十
分に原子オーダー（サブ・ナノメートル）での高密度記
録再生を行うことが可能である。例えば、特開昭６１−
８０５３６号公報に開示されている記録再生装置では、
電子ビーム等によって媒体表面に吸着した原子粒子を取
り除く書き込み動作を行い、ＳＴＭによりこのデータを
再生している。
【０００５】また記録層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材料、例えばπ電子系有
機化合物やカルコゲン化合物類の薄膜層を用いて、記録
・再生をＳＴＭで行う方法が以下に提案されている［特
開昭６３−１６１５５２号公報、特開昭６３−１６１５
５３号公報］。
【０００６】上記の方法によれば、記録のビットサイズ
を１０ｎｍとして、１０12ｂｉｔ／ｃｍ2もの大容量記
録再生が可能である。さらに、小型化を目的として複数
のプローブを半導体基板上に形成し、これと対向する記
録媒体を変位させて記録を行う装置が以下に提案されて
いる（特開平１−１９６７５１号公報）。
【０００７】複数のプローブによって、記録，再生を行
う装置においては、例えば、１ｃｍ 2角のシリコンチッ
プ上に、１プローブ当たり４００Ｍｂｉｔの記録再生能
力を有する２５００本のプローブを５０×５０のマトリ
ックス配置したマルチプローブヘッドと上述したメモリ
効果を持つ材料を組み合わせることにより、総記録容量
１Ｔｂｉｔのディジタルデータの記録再生が行える。
【０００８】この時、プローブを長さ数１００μｍ程度
のカンチレバー（片持ちばり）状に構成し、駆動する方
法が考えられている。従来このようなカンチレバーの作
製法としては、半導体プロセスを応用し、一つの基板上
に微細加工を施す加工技術を用いて圧電体薄膜、金属膜
等の多層構造を有するカンチレバーを作製する方法があ
った(T. R. Albrecht et al. "Microfabrication of in
tegrated scanning tunneling microscope" Procedding
s of 4th International Conference on scanning tunn
eling microscope/spectros copy 1990)。
【０００９】このようなトンネル電流あるいは電界放射
電流を用いた情報処理装置は、プローブと試料間の距離
を一定に保つ機能を有していた。この機能を有する情報
処理装置の信号処理回路としては、たとえば日経マイク
ロデバイス１９８６年１１月号８１頁から９７頁に述べ
られている。このような信号処理回路ではトンネル電流
が、
【００１０】
【数１】 （但し、Ｉ：トンネル電流、ｚ：プローブ−試料間の距
離、ｋ：定数）の関係式で表せることを用いて、検出ト
ンネル電流を対数変換してサーボ回路に入力し、トンネ
ル電流を一定にするようなサーボ回路出力によりプロー
ブと試料間の間隔制御を行っていた。この式でｋとして
一定とされている値はプローブ先端のＴｉｐと試料の仕
事関数を反映した値であり、ＳＴＭプローブの汚染等に
より変化することが知られている（Journal of microsc
opy Vol. 152 .pti 1988 .p129-135）。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際に
複数のプローブを有するマルチプローブヘッドとこれに
対向する媒体を組み合わせて記録再生等の情報処理を行
うためには以下の問題点があった。
【００１２】（１）記録再生等の情報処理時には、マル
チプローブヘッドの各プローブと対向する媒体間の距離
（Ｚ方向）を精度よく制御する必要がある。このため
に、例えば各プローブ毎にプローブと媒体間のＺ方向制
御を行う制御系をそれぞれ設け、各制御系からなる制御
部をプローブヘッドの外に設けることが考えられる。こ
の場合には、マルチプローブヘッドを小さく構成するこ
とができても装置外部に置かれる制御部がプローブの本
数分だけ大型となり、ＳＴＭの特徴を生かした小型の情
報処理装置の実現が困難になるという問題点がある。
【００１３】（２）また複数本のプローブをＩＣプロセ
ス等の微細加工で作製する場合、加工プロセスのばらつ
きを避けることはできない。このプロセスばらつきは、
例えば圧電体カンチレバー等のアクチュエータの変位感
度のばらつきやプローブ先端のＴｉｐ（ティップ）の感
度すなわち、仕事関数値のばらつきを招き、トンネル電
流あるいは電界放射電流を用いた情報処理装置で情報処
理を行う上で障害になっていた。すなわちプローブ毎の
表面凹凸信号の明度変化ばらつきを引き起こし、記録再
生装置においては再生信号振幅のプローブ毎ばらつきを
招き、再生エラーを引き起こすという問題点がある。
【００１４】本発明は上述したような従来の技術が有す
る問題点に鑑みてなされたものであって、小型で高精度
のマルチプローブの制御回路を提案し、これを具備する
各種情報処理装置を実現することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の情報処理装置
は、複数本のプローブからなるマルチプローブと、前記
複数のプローブのそれぞれに設けられ、各プローブを移
動させて前記媒体との距離を変える複数のアクチュエー
タと、プローブと媒体との間の物理現象により生じる信
号を検出すると共に、前記信号に基づいて前記アクチュ
エータを制御する単一の制御回路と、前記複数のプロー
ブのうちの一つとそれに対応するアクチュエータを順次
選択し、前記制御回路と接続する選択回路と、からなる
マルチプローブ制御回路と、 前記検出信号より媒体上の
情報を示す再生信号を生成する単一の再生回路と、前記
選択したプローブに対応した前記再生回路の出力を補正
する補正回路とを有することを特徴とする。
【００１６】この場合、前記補正回路は、各プローブ毎
の補正値をストアするメモリを有することとしてもよ
い。
【００１７】また、前記プローブに記録信号を供給する
記録回路と、前記記録回路と前記複数のプローブのうち
の一つとを順次接続する切り替え回路と、前記選択した
プローブに応じて前記記録信号を補正することとしても
よい。
【００１８】さらに、前記補正回路は、各プローブ毎の
補正値をストアするメモリを有していることとしてもよ
い。
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【作用】媒体と各プローブとの間の距離等の制御につい
て、各プローブ毎に異なる補正が補正回路によって共通
になされるので、各プローブの仕事関数値にばらつきが
あっても、各プローブの制御性能にばらつきが生じるこ
とがない。
【００２８】上記のような各プローブについての補正
は、選択回路および切り替え回路によって順次切り替
え、共通の補正回路によって行われるので、各プローブ
のそれぞれに制御系を設ける必要がなく、装置が大型化
することはない。
【００２９】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
【００３０】実施例１ 図１は、本発明の第１の実施例におけるマルチプローブ
の制御回路の構成例を示す図である。
【００３１】本実施例に示す制御回路は、トンネル電流
を検出する複数本のプローブを対向する媒体との間の距
離を制御する回路に関するものである。
【００３２】本実施例では制御ＣＰＵ１１４を用いて、
各プローブからのトンネル電流信号をデジタル信号に変
換し、この信号から制御ＣＰＵ１１４からのタイミング
により各プローブを順次Ｚ方向制御する制御信号を発生
するデジタルサーボ系を構成した。
【００３３】図１を用いてマルチプローブのＺ方向制御
について詳細に説明する。
【００３４】マルチプローブ１０１を構成する複数のプ
ローブ１０１1，１０１2，・・・，１０１nのそれぞれ
は、選択回路１０２と接続されている。選択回路１０２
は制御ＣＰＵ１１４からのタイミングにしたがい各マル
チプローブ１０１1〜１０１nのうちのいずれか一本、例
えばｎ番目のプローブを選択する。選択されたｎ番目の
プローブにて検出されたトンネル電流信号Ｉｎは電圧値
変換された後に、Ａ／Ｄ変換器１０３にてデジタル値Ｉ
ｎ（ｔ）に変換される（ｔは、所定のサンプリング時
刻）。
【００３５】デジタル化されたトンネル電流信号は、対
数変換回路１０４により、プローブ−媒体間の距離に対
する線形化信号に変換される〔図中：ｌｏｇＩｎ
（ｔ）〕。対数変換回路１０４の出力は、サーボ回路の
設定値との比較器１０５に入力され、誤差信号〔図中：
ｅｒｒｎ（ｔ）〕となる。このとき、制御ＣＰＵ１１４
は選択しているプローブの番号メモリ１１１をアドレッ
シングし、メモリ１１１はプローブ番号に応じた補正量
（ｇ１〜ｇｎ）を補正回路１０６に出力する。
【００３６】補正回路１０６は、比較器１０５出力ｅｒ
ｒｎ（ｔ）にメモリ１１１からの補正係数ｇｎを乗じ、
補正誤差信号〔図中：ｅｎ（ｔ）〕とする。１０７はこ
の補正誤差信号をゼロとする距離制御信号〔図中：Ｕｎ
（ｔ）〕を生成する制御回路で、具体的にはＰＩ（Prop
ortional+Integral）制御回路である。このＰＩ制御回
路１０７はメモリ１１２，１１３にストアされたサンプ
リング時刻（ｔ−１）における距離制御信号及び補正誤
差信号データと、サンプリング時刻（ｔ）における補正
誤差信号ｅｎ（ｔ）から時刻（ｔ）における新たな距離
制御信号Ｕｎ（ｔ）を生成する。同時にメモリ１１２，
１１３の値を更新する。
【００３７】距離制御信号Ｕｎ（ｔ）は、Ｄ／Ａ変換器
１０８で再びアナログ信号に変換された後、切り替え回
路１０９により対応する番号のプローブをＺ方向に駆動
するアクチュエータ（不図示）に印加される。制御ＣＰ
Ｕ１１４は順次選択するプローブを切り替え、全てのプ
ローブのＺ方向制御をする。なお、一度アクチュエータ
に信号が印加された後、再び同じアクチュエータに信号
が印加されるまでの間、アクチュエータはフローティン
グ状態になる。この間はアクチュエータの電極間の容量
により制御電圧が保持されており、アクチュエータの変
位は保たれる。
【００３８】上記の１０３〜１０８までのディジタル演
算／変換回路は、サンプリング周期に対し、それぞれ十
分に速い速度で動作させてもよいが、それぞれの各演算
毎にデータ保持メモリを設ける、いわゆるパイプライン
処理を行ってもよい。パイプライン処理を用いることに
よって１０３〜１０８の各演算／変換回路は動作周波数
をサンプリング周波数まで低速化できるため、回路の小
型化、低コスト化が図られる。
【００３９】図２は、図１に示した制御回路構成図の制
御系をブロック線図表示したものである。
【００４０】ここで図１のサーボ制御系はディジタルサ
ーボ系であるものの、通常サンプリング間隔が数μｓｅ
ｃと制御信号帯域に比べて十分低いためアナログサーボ
系と近似して考えてもよい。図２により図１の補正回路
の動作を詳細に説明する。
【００４１】Ｇａ（ｓ）：２００は、マルチプローブの
変位→トンネル電流変換特性を示すブロック、Ｇｂ
（ｓ）：２０１は対数変換回路特性を示すブロック、Ｇ
ｃ（ｓ）：２０２は補正回路を示すブロック、Ｇｄ
（ｓ）：２０３はＰＩ制御回路を示すブロック、Ｇｅ
（ｓ）：２０４はマルチプローブのＺ駆動素子の電圧→
変位変換特性を示すブロックである。ただしＶＢはプロ
ーブ媒体間のバイアス電圧、φ１〜φｎは各プローブの
仕事関数値、Ｇ１（ｓ）〜Ｇｎ（ｓ）は各マルチプロー
ブのＺ駆動素子の電圧→変位変換特性を示すブロック、
ａ，Ｋｐ，Ｋｉは定数である。
【００４２】前述した通り、プローブが複数本ある場
合、Ｚ駆動素子の変位感度やプローブ先端のティップの
感度すなわち仕事関数値はばらつき、仕事関数値φ１〜
φｎ及びＺ駆動素子の電圧→変位変換特性Ｇ１（ｓ）〜
Ｇｎ（ｓ）は各プローブ毎に異なる。
【００４３】このとき図２の閉ループにおいてＰＩ制御
回路２３出力Ｕｎから対数変換回路２１出力のＶｎへの
伝達特性を考えると、 Ｖｎ＝Ｇｂ（ｓ）×Ｇａ（ｓ）×Ｇｅ（ｓ）×Ｕｎ ＝ｌｏｇ10｛ＶＢ・ｅｘｐ（−ａ・φｎ1/2・Ｇｎ・Ｕｎ）｝ ＝Ａ・φｎ1/2・Ｇｎ・Ｕｎ＋Ｂ （Ａ，Ｂは定数） と表される。
【００４４】すなわち、プローブ毎のφ及びＧのばらつ
きは、閉ループ伝達特性のゲインばらつきになり、この
ままＰＩ制御回路２０３でサーボがかけられると個々の
プローブによってサーボの応答周波数が異なってしま
う。そこで、本実施例では補正回路２０２によりこのゲ
インばらつきを補正し、補正後の誤差信号をＰＩ制御回
路２０３に入れることで全てのプローブを同程度の精度
でサーボ制御を行った。
【００４５】前述のように補正回路２０２では、比較器
出力にプローブ毎異なる係数（：ｇｎ）を乗じている。
この係数の測定方法について説明する。
【００４６】全てのプローブからトンネル電流が検出で
きる状態で制御ＣＰＵ１０４は、Ｚ駆動素子の応答周波
数以下のＺ変調信号を発生し、全てのプローブをＺ方向
を変調する（ΔＵｎ）。このとき各プローブからの対数
変換回路出力（ΔＶｎ）をモニタし、各プローブについ
てＰＩ制御出力Ｕｎから対数変換回路出力の伝達特性Ｇ
multi＝ΔＶｎ／ΔＵｎを測定した。これが全てのプロ
ーブで一定になるように補正回路の係数を決定した。
【００４７】図３は上記のような制御回路およびマルチ
プローブを備え、ＳＴＭを用いた情報処理装置の一つの
実施形態の構成を示す図である。
【００４８】３０１はマルチプローブヘッドであり、マ
ルチプローブヘッド３０１の作製について図４を用いて
説明する。
【００４９】図４（ａ）は、マルチプローブヘッドの一
本のプローブ構造であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）中
Ａ−Ｂの断面図である。
【００５０】図中、４０１はＳｉ基板、４０２，４０８
はＳｉＮｘ層、４０３，４０５，４０７は駆動用電極、
４０４，４０６は圧電体薄膜、４０９はプローブ先端の
ティップ、４１０のティップ用電極である。
【００５１】このカンチレバーは、バイモルフ構造を有
し逆圧電効果により電圧印加で変位する。以下にその作
製工程を記す。
【００５２】まず、Ｓｉ（１００）基板（厚さ０．５μ
ｍ）上に、ＣＶＤ法によりＳｉ3Ｎ4膜を０．１５μｍの
厚さに成膜した。使用した原料ガスはＳｉＨ2Ｃ12：Ｎ
Ｈ3（１：９）であり、基板温度８００℃であった。次
に、フォトリソグラフィー及びＣＦ4ドライエッチング
により、Ｓｉ3Ｎ4を所望の形状にパターニングした。続
いてＣｒ０．０ｌμｍ，Ａｕ０．０９μｍを成膜し、フ
ォトリソグラフィー及びウェットエッチングによりパタ
ーニングした。
【００５３】次に、スパッタ法で圧電体薄膜ＡｌＮを
０．３μｍ成膜した。ターゲットはＡｌを用い、Ａｒ＋
Ｎ2雰囲気でスパッタした。さらにフォトリソグラフィ
ーとＡｌ用エッチング液によるウェットエッチングでパ
ターニングした。その後上記工程を繰り返し、結局Ｓｉ
基板−Ａｕ／Ｃｒ−ＡｌＮ−Ａｕ／Ｃｒ−ＡｌＮ−Ａｕ
／Ｃｒのバイモルフ構造を形成した。さらに保護層とし
てアモルファスＳｉＮを０．１５μｍＣＶＤ法により成
膜した。その後、タングステン（Ｗ）ティップを蒸着法
で作製した後、ＫＯＨによるＳｉの異方性エッチングを
用いて、Ｓｉ3Ｎ4がついていない部分を除去し、カンチ
レバーを作製した。最後にＷティップをＰｔコーティン
グした。一本のカンチレバーの寸法は、長さ７００×幅
２３０μｍでＺ方向の共振周波数３．３ｋＨｚ，１Ｖ印
加時のバイモルフの平均変位量は１．７５μｍであっ
た。このカンチレバー型プローブを５×５ケ、計２５個
マトリックス状に作製し、さらにＳｉウェハ上のカンチ
レバー型プローブ近傍にＩＣプロセスを用いてトンネル
電流検出アンプを構成しマルチプローブヘッド３０１と
した。このとき光学的手法で２５本のプローブの変位感
度を測定したところ約２０％のばらつきがあった。
【００５４】再び図３にもどりＳＴＭについて説明す
る。３０２は観察する試料であり、これに接近してマル
チプローブヘッド３０１が対向している。マルチプロー
ブヘッド３０１は微動機構であるアクチュエータ３０
３、さらに構造体３０９に取り付けられている。アクチ
ュエータ３０３は制御回路３０５が発生するアクチュエ
ータ制御信号Ｓ３１によって制御される。
【００５５】表面観察時、マルチプローブヘッド３０１
と試料３０２の間にバイアス電圧を印加した状態でアク
チュエータ３０３を傾きを補正しながら動かし、全ての
プローブからトンネル電流が流れる程度までマルチプロ
ーブヘッド３０１を試料３０２に近づける。さらに、図
１で詳細を説明したＺ方向制御回路３０４により全ての
プローブと対向する試料３０２間の距離を一定とするよ
うにサーボをかける。この状態で制御回路３０５はＸＹ
走査信号Ｓ３２を発生する。ＸＹ走査信号Ｓ３２は、構
造体３０９に取り付けられたＸＹ走査機構３１０に印加
され、試料３０２の載った基台３０７を二次元に走査す
る。このとき、試料３０２の表面の微小な凹凸により変
化するトンネル電流が検出される。検出されたトンネル
電流を制御回路３０５に取り込み、ＸＹ走査信号Ｓ３２
に同期させて処理することで２５本のプローブからのＳ
ＴＭ像が得られた。
【００５６】さらに、ＳＴＭ像に二次元ＦＦＴ等の画像
処理を行い、２５全画面分を合成してディスプレイ３０
８に表示した。また観察場所を変えるときには、図示せ
ぬＸＹ粗動機構により試料をＸＹ方向に移動させ、所望
の領域にマルチプローブヘッド３０１を移動して観察を
行った。
【００５７】本実施例においてＺ方向制御回路３０４で
マルチプローブヘッド３０１からのトンネル電流信号を
補正してＺ方向制御を行った。Ｚ方向制御を行うための
補正データはメモリ３１１に格納し、図１で説明したよ
うなＺ方向制御を行った。本実施例においては補正デー
タを得るために、試料の表面観察に先立って、広い面積
にわたって平坦なＨＯＰＧ，Ｓｉ等の標準試料にマルチ
プローブを対向させた。この標準試料上で全てのプロー
ブをＺ方向に変調する（ΔＵｎ）。このとき各プローブ
からのトンネル電流信号、さらに対数変換回路出力（Δ
Ｖｎ）をモニタし、各プローブからＰＩ制御出力Ｕｎか
ら対数変換回路出力の伝達特性Ｇmulti＝ΔＶｎ／ΔＵ
ｎを測定し、補正量を決定した。この結果、約２０％の
変位感度ばらつきが影響することなく、全てのプローブ
から同じようにＳＴＭ像が得られた。
【００５８】本発明の走査型トンネル顕微鏡を用いるこ
とにより、複数本のプローブを有するマルチプローブヘ
ッドを小型制御回路で制御し、広い面積の試料を短時間
で表面観察を行うことが可能となった。
【００５９】本発明で用いたカンチレバーはＡｌＮ，Ｚ
ｎＯ等の圧電体薄膜、金属膜の薄膜を積層しているた
め、数Ｖの電圧印加により電圧破壊を起こしやすく、容
易に静電気や帯電等で圧電体薄膜の破壊を招いていた。
本実施例のようにサーボ系の入力部でゲイン補正を行う
場合、アクチュエータを絶縁破壊させることなく複数の
プローブを制御できるという実施例特有の効果がある。
【００６０】なお、本実施例では、Ｚ方向アクチュエー
タとして圧電体の逆圧電効果を利用したカンチレバー型
アクチュエータを用いたが、アクチュエータは、これに
限定されることなく、例えば静電力を用いたものでもよ
い。またＳＴＭに代わり、マルチプローブを有する原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、プローブの弾性定数ば
らつきを補正する回路を有するプローブ−試料間の距離
制御回路に応用してもよい。
【００６１】さらに、本発明では、補正回路としてＺサ
ーボ回路の閉ループゲインを調整する回路を構成した
が、単なるゲイン調整だけでなく、制御対象であるアク
チュエータの機械的Ｑ値のばらつきによる変位の過渡特
性を補正するフィルタ回路、位相補償等の補正回路を構
成してもよい。また、カンチレバーの反りのばらつきを
補正するため１０８のＤ／Ａ変換器の入力に各カンチレ
バーの反り量に対応するオフセット値を重畳し補正して
する回路を設けてもよい。
【００６２】実施例２ 図５は、本発明による情報処理装置である記録再生装置
の第２の実施例の概略図である。
【００６３】図中、５０１は記録媒体であり、これに接
近して実施例１と同様のマルチプローブヘッド５０２が
対向している。マルチプローブヘッド５０２は図示せぬ
積層型圧電素子等の微動機構に取り付けられ、微動機構
はマルチプローブヘッド５０２を記録媒体５０１に接近
させる。
【００６４】また、５０３はＸＹ走査回路、５０４，５
０５は記録媒体５０１の載ったステージ５０６をそれぞ
れＸ方向，Ｙ方向にそれぞれ駆動するアクチュエータで
ある。５０７は各プローブ毎のデータ入出力とＺ方向制
御を行う制御回路である。
【００６５】記録媒体５０１として、電圧電流のスイッ
チ特性に対し、メモリ効果をもつ材料を基板上に形成し
たものを用いた。本実施例では、ガラスや雲母等の平坦
な基板上に金をエピタキシャル成長させた基板を用意
し、この基板上に電圧電流のスイッチング特性に対しメ
モリ効果をもつ材料としてスクアリウム−ビス−６−オ
クチルアズレンを用い、ラングミュア・プロジェット法
（ＬＢ法）により、単分子膜２層の累積膜を基板電極上
に形成した。また記録媒体５０１上には凹状の溝もしく
は表面電子状態の異なるトラッキングパターン５０８が
刻まれている。そしてプローブのトンネル電流変化から
トラッキングパターンエッジ位置をトラッキング制御回
路５０９で検出し、トラッキングずれをトラッキングア
クチュエータ５１０で補正する。
【００６６】この記録再生装置を用い、以下のように記
録再生の実験を行った。
【００６７】マルチプローブヘッド５０２と試料の間に
バイアス電圧を１００ｍＶ印加し、この状態で図示せぬ
積層型圧電素子等の微動機構により全てのプローブから
トンネル電流が流れる程度までマルチプローブヘッド５
０２を記録媒体５０１に近づける。さらに制御回路５０
７中にあり図１で詳細を説明したＺ方向制御回路により
全てのプローブと対向する試料間の距離を一定とするよ
うにサーボをかけておく。この状態でＸＹ走査回路５０
３はＸＹ走査信号Ｓ５１を発生する。ＸＹ走査信号Ｓ５
１はアクチュエータ５０４，５０５に印加され、記録媒
体５０１が載置されたステージ５０６を二次元に走査す
る。
【００６８】記録は以下のように行った。全てのプロー
ブから１ｎＡのトンネル電流が流れる程度までサーボを
かけ、近づけておく。この状態で記録媒体５０１の所望
の位置までプローブを移動後、バイアス電圧を変調し、
６Ｖのパルス電圧をプローブ１と記録媒体３の間に印加
すると、瞬間的に約０．１μＡの電流が流れる大きさ１
０ｎｍφのビットが形成（記録）され、パルス電圧の印
加後、走査を行ったところ、その状態を保持した（再
生）。そこでこの低抵抗状態にあるビットを“１”に対
応づけ、高抵抗状態の“０”と区別する。そして記録デ
ータに符号器で“０”“１”のデータへのコード化を行
い２値化記録再生を行った。
【００６９】本実施例でもマルチプローブからのトンネ
ル電流信号を補正してＺ方向制御を行っている。このた
めの補正データはメモリ５１１に格納されている。本実
施例においては補正データを得るために、記録再生に先
立って記録媒体５０１上で全てのプローブをＺ方向に変
調する（ΔＵｎ）。このとき各プローブからのトンネル
電流信号、さらに対数変換回路出力（ΔＶｎ）をモニタ
し、各プローブからＰＩ制御出力Ｕｎから対数変換回路
出力の伝達特性Ｇmulti＝ΔＶｎ／ΔＵｎを測定し、補
正量を決定した。
【００７０】実施例３ 図６は、本発明の第３の実施例におけるマルチプローブ
の制御回路の構成例を示す図である。
【００７１】本実施例に示す制御回路は、複数本のプロ
ーブにより検出されたトンネル電流を補正するものであ
る。
【００７２】本実施例では制御ＣＰＵ６１２を用いて、
各プローブからのトンネル電流信号をデジタル信号に変
換し、この信号から制御ＣＰＵ６１２からのタイミング
により各プローブを順次Ｚ方向制御する制御信号を発生
するデジタルサーボ系を構成し、各プローブの位置制御
を行いながらトンネル電流信号を検出した。
【００７３】図６を用いて、まずマルチプローブのＺ方
向制御について詳細に説明する。
【００７４】プローブ番号６０１1〜６０１nで示される
マルチプローブヘッド６０１からのトンネル電流信号
は、選択回路６０２へ出力される。選択回路６０２は制
御ＣＰＵ６１２からのタイミングにしたがいマルチプロ
ーブヘッド１から１本、例えばｎ番目のプローブを選択
する（図中６０１n）。選択されたｎ番目のプローブか
ら検出されたトンネル電流信号は電圧値変換された後、
Ａ／Ｄ変換器６０３でＡ／Ｄ変換される〔Ｉｎ（ｔ），
ｔはあるサンプリング時刻〕。
【００７５】デジタル化されたトンネル電流信号は、対
数変換回路６０４により、プローブ−媒体（ないしはサ
ンプル）間の距離に対する線形化信号に変換される〔図
中：ｌｏｇＩｎ（ｔ）〕。対数変換回路６０４の出力
は、サーボ回路の設定値との比較器６０５に入力され、
誤差信号〔図中：ｅｎ（ｔ）〕となる。この誤差信号が
ゼロとなるようにＰＩ（Proportional+Integral）制御
回路６０６は距離制御信号Ｕｎ（ｔ）を生成する。この
とき、ＰＩ制御回路６０６は、サンプリング時刻（ｔ−
１）における距離制御信号Ｕｎ（ｔ−１）および誤差信
号データｅｎ（ｔ−１）から時刻（ｔ）における新たな
距離制御信号Ｕｎ（ｔ）を生成する。
【００７６】距離制御信号Ｕｎ（ｔ）は、Ｄ／Ａ変換器
６０７で再びアナログ信号に変換された後、切り替え回
路６０８により対応する番号のプローブをＺ方向に駆動
するアクチュエータに印加される。制御ＣＰＵ６１２
は、順次選択するプローブを切り替え、全てのプローブ
のＺ方向制御をする。なお、一度アクチュエータに信号
が印加された後、再び同じアクチュエータに信号が印加
されるまでの間、アクチュエータはフローティング状態
になる。この間はアクチュエータの電極間の容量により
制御電圧が保持されており、アクチュエータの変位は保
たれる。上記のデジタル演算／変換回路は、サンプリン
グ周期に対してそれぞれ十分に速い速度で動作させても
よいが、それぞれの各演算毎にデータ保持メモリを設け
る、いわゆるパイプライン処理を行ってもよい。
【００７７】一方、各プローブからのトンネル電流信号
は補正回路６０９により補正され、補正電流信号６１０
となる。この補正回路６０９の動作について説明する。
【００７８】各プローブから検出されるトンネル電流信
号の対数変換出力は前述のようにプローブとこれに対向
する媒体ないしはサンプルの距離に比例する。ＳＴＭで
はこれを検出信号として取り出して処理している。
【００７９】このとき、対数変換回路６０４の出力は、 ｌｏｇ Ｉｎ＝ｌｏｇ10｛ＶB・exp（−ａ・φn1/2・
ｚ） ＝Ａ・・φn1/2・ｚ＋Ｂ （ａ、Ａ、Ｂは定数）と表される（ただし、ＶBはプロ
ーブ−サンプル間のバイアス電圧、φ1〜φnは各プロー
ブの仕事関数値、ｚはプローブ−媒体間の距離であ
る。）。
【００８０】即ち、プローブ毎のφのばらつきは、対数
変換回路６０４の出力の振幅ばらつきになり、このまま
検出信号を取り出すとプローブ毎に検出信号のレベル差
が観測されてしまう。そこで、補正回路６０９は対数変
換回路６０４の出力のゲイン補正を行って、補正電流信
号６１０としてディスプレイに表示する。このためにメ
モリ６１１にプローブ毎に異なる係数（ｇｎ）をストア
し、各プローブからの対数変換回路６０４の出力に係数
を乗じて補正電流信号６１０とした。
【００８１】この係数の測定方法について説明する。全
てのプローブからトンネル電流が検出できる状態で、制
御ＣＰＵ６１２は、プローブヘッド全体をＺ方向に並進
させるＺ変調信号を発生し、全てのプローブをＺ方向に
変調する（ΔＺ）。このとき、各プローブからの対数変
換回路６０４出力（ΔＶｎ）をモニタし、各プローブに
ついて高さＺ変化に対する対数変換回路６０４出力の伝
達特性Ｇmulti＝ΔＶｎ／Ｚを測定した。これが全ての
プローブで一定となるように補正回路の定数ｇｎを決定
した。
【００８２】実施例４ 次に、本発明の第４の実施例について説明する。
【００８３】本実施例に示す制御回路は、複数本のプロ
ーブによる記録信号および再生信号を補正するものであ
る。
【００８４】本実施例は、図５に示した第２の実施例の
記録再生装置のうち、制御回路を異なるものしたもので
ある。このため、図７には制御回路の構成のみを示し、
記録再生装置の構成および動作の説明は省略する。
【００８５】本実施例でもマルチプローブからのトンネ
ル電流信号を補正して信号再生記録を行っている。図７
を用いてこの制御回路を説明する。
【００８６】本実施例でも制御ＣＰＵ７１８を用いて、
各プロ−ブからのトンネル電流信号をデジタル信号に変
換し、この信号から制御ＣＰＵ７１８からのタイミング
によリ各プロ−プを順次Ｚ制御する制御信号を発生する
デジタルサーボ系を構成し、各プロ―ブの位置制御を行
いながらトンネル電流信号を検出した。プローブ番号７
０１1〜７０１nで構成されるマルチプロ−ブヘッド７０
１からのトンネル電流信号は、選択回路７０２に出力さ
れている。選択回路７０２は制御ＣＰＵ７１８からのタ
イミングに従いマルチプローブヘッド７０１から―本、
例えばｎ番目のプロ−ブを選択する（図中：７０
１n）。Ｉｎは、Ａ／Ｄ変換器７０３、対数変換回路７
０４により、プローブ−媒体間の距離変化に対して線形
な信号となる〔図中：ｌｏｇ Ｉｎ（ｔ）〕。そして対
数変換回路７０４の出力は、サーボ回路の設定値との比
較器７０５に入り、誤差信号〔：ｅｎ（ｔ）〕となる。
この誤差信号をゼロとするようにＰＩ制御回路５０６は
距離制御信号Ｕｎ（ｔ）を生成する。距離制御信号Ｕｎ
（ｔ）は、Ｄ／Ａ変換器７０７で再びアナログ信号に変
換された後、切り替え回路７０８により対応する番号の
プローブをＺ方向に駆動するアクチュエータに印加され
る。制御ＣＰＵ７１８は、順次選択するプロ−ブを切り
替え、全てのプローブのＺ制御をする。
【００８７】一方、各プローブからのトンネル電流信号
は補正回路７０９により補正され、補正電流信号７１９
となる。実施例３と同様にプローブ毎のφばらつきは、
対数変換回路７０４出力の振幅ばらつきになり、このま
ま検出信号を取り出すとプローブ毎に検出信号のレベル
差が観測されてしまう。このようなレベル差が生じる
と、情報記録青生装置においては再生信号のレベル差に
より信号再生エラーが生じる。そこで補正回路７０９は
対数変換回路７０４出力のゲイン補正を行って補正電流
信号７１９とする。さらにレベル差を無くした補正電流
信号を復調器７１０に入れ、再生信号７１２を得た。こ
のためにメモリ７１１にプローブ毎に異なる係数（ｇ
ｎ）をストアし、各プローブからの出力に係数を乗じ
た。
【００８８】この係数の測定方法は実施例３と同様であ
る。即ち全てのプローブからトンネル電流が検出できる
状態で、プローブヘッド全体をＺ方向に並進するＺ変調
信号を発生し、全てのプローブをＺ方向に変調する（△
Ｚ）。この時各プローブからの対数変換回路出力（△Ｖ
ｎ）をモニタし、各プローブについて高さＺ変化に対す
る対数変換回路出力の伝達特性Ｇmulti＝△Ｖｎ／Ｚを
測定し、補正回路の係数ｇｎを決定した。
【００８９】また、制御ＣＰＵ７１８は記録時も、プロ
ーブばらつきの影響をなくすように補正回路７１５で記
録制御を行ったので説明する。前述のようにプローブの
仕事関数値はプローブの汚染等により変化する。即ちテ
ィップの感度が低いプローブは先端が汚染層で覆われて
おリ、このプローブで記録電圧信号７１３を印加して
も、記録媒体の記録層に電圧が印加されなかったり、記
録層を流れる電流が制限されたりして記録エラーを引き
起こす。そこで、補正回路７１５はプロ―ブ毎に記録電
圧振幅を調整した。プローブの仕事関数ばらつきを反映
したＧmulti＝△Ｖｎ／Ｚ特性に従って、通常の記録電
圧である６Ｖのバルス電圧高を最大１０Ｖまで補正し、
これを補正記録電圧としてメモリ７２０にストアした。
そして記録信号７１３を変調器７１４で変調後、補正回
路７１５により各プローブに印加すべき電圧信号として
記録回路７１６に入れた。制御ＣＰＵ７１８は各プロー
ブを切り替え回路７１７で順次選択し、選択したプロ−
ブに記録回路７１６は、記録データに従って記録電圧信
号を印加し、デジタルデータの記録を行った。
【００９０】なお、本発明では、プローブ先端のティッ
プばらつきを補正するように記録電圧を補正したが、媒
体のマクロなばらつき（例えば記録媒体のＬＢ膜の厚さ
ムラ）を相殺するように記録電圧値をプローブ毎に補正
する制御回路に応用しても良い。また、記録の際の電圧
値を補正するのでなく記録媒体に応じて記録のための印
加電流ないしは記録時間等をプローブ毎に異なるように
補正しても良い。
【００９１】さらに、本発明に従った記録再生装置とし
ては、本実施例に示した様にプローブが記録媒体上を２
次元的にＸＹラスタ走査するものに限定されることな
く、例えば円周状に、また、スパイラル状にプローブを
動かしながら、円周のトラック方向にピット記録、信号
再生を行っても良い。
【００９２】
【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるので、以下に記載するような効果を奏する。
【００９３】複数のプローブの特性ばらつきの影響を廃
し、複数のプローブを用いて安定な位置制御を行うこと
ができる小型の情報処理装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例におけるマルチプローブ
の制御回路の構成例を示す図である。
【図２】図１に示した制御回路構成図の制御系をブロッ
ク線図表示したものである。
【図３】図１および図２に示した制御回路およびマルチ
プローブを備え、ＳＴＭを用いた情報処理装置の一つの
実施形態の構成を示す図である。
【図４】（ａ）は、マルチプローブヘッドの一本のプロ
ーブ構造であり、（ｂ）は、（ａ）中Ａ−Ｂの断面図で
ある。
【図５】本発明による情報処理装置である記録再生装置
の第２の実施例の概略図である。
【図６】本発明の第３の実施例におけるマルチプローブ
の制御回路の構成例を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施例におけるマルチプローブ
の制御回路の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１０１ マルチプローブ １０２ 選択回路 １０３ Ａ／Ｄ変換器 １０４ 対数変換回路 １０５ 比較器 １０６ 補正回路 １０７ ＰＩ制御回路 １０８ Ｄ／Ａ変換器 １０９ 切り替え回路 １１１〜１１３ メモリ １１４ 制御ＣＰＵ ３０１ マルチプローブヘッド ３０２ 試料 ３０４ Ｚ方向制御回路 ３０５ 制御回路 ３０６ ＸＹ走査信号 ３０７ 基台 ３０８ ディスプレイ ３１１ メモリ ５０１ 記録媒体 ５０２ マルチブローブヘッド ５０３ ＸＹ走査回路 ５０７ 制御回路 ５０８ トラッキングパターン ５０９ トラッキング制御回路 ６０１ マルチプローブ ６０２ 選択回路 ６０３ Ａ／Ｄ変換器 ６０４ 対数変換回路 ６０５ 比較器 ６０６ ＰＩ制御回路 ６０７ Ｄ／Ａ変換器 ６０８ 切り替え回路 ６０９ 補正回路 ６１０ 補正電流信号 ６１１ メモリ ６１２ 制御ＣＰＵ ７０１ マルチプローブ ７０２ 選択回路 ７０３ Ａ／Ｄ変換器 ７０４ 対数変換回路 ７０５ 比較器 ７０６ ＰＩ制御回路 ７０７ Ｄ／Ａ変換器 ７０８，７１７ 切り替え回路 ７０９ 補正回路 ７１１，７２０ メモリ ７１２ 再生信号 ７１３ 記録信号 ７１４ 変調器 ７１５，７１６ 記録回路 ７１４ 制御ＣＰＵ
フロントページの続き (72)発明者 紫藤 俊一 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 酒井 邦裕 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 平３−287006（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−205828（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−71705（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−94112（ＪＰ，Ａ) 特開 昭47−4614（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G11B 9/14

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数本のプローブからなるマルチプロー
    ブと、前記複数のプローブのそれぞれに設けられ、各プ
    ローブを移動させて前記媒体との距離を変える複数のア
    クチュエータと、プローブと媒体との間の物理現象によ
    り生じる信号を検出すると共に、前記信号に基づいて前
    記アクチュエータを制御する単一の制御回路と、前記複
    数のプローブのうちの一つとそれに対応するアクチュエ
    ータを順次選択し、前記制御回路と接続する選択回路
    と、からなるマルチプローブ制御回路と、 前記検出信号より媒体上の情報を示す再生信号を生成す
    る単一の再生回路と、前記選択したプローブに対応した
    前記再生回路の出力を補正する補正回路とを有すること
    を特徴とする情報処理装置 。
  2. 【請求項２】 前記補正回路は、各プローブ毎の補正値
    をストアするメモリを有していることを特徴とする請求
    項１に記載の情報処理装置。
  3. 【請求項３】 前記プローブに記録信号を供給する記録
    回路と、前記記録回路と前記複数のプローブのうちの一
    つとを順次接続する切り替え回路と、前記選択したプロ
    ーブに応じて前記記録信号を補正する補正回路とを有す
    ることを特徴とする請求項１に記載の情報処理装置。
  4. 【請求項４】 前記補正回路は、各プローブ毎の補正値
    をストアするメモリを有していることを特徴とする請求
    項３に記載の情報処理装置。
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