JPH04155633A - 情報読取り及び／又は入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は探針を介して、試料上から情報を読み取る装置
及び／又は試料上に情報を入力する装置に関する。

〔従来の技術〕

最近、物質表面及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（以後ＳＴＭと略す）が開発さ
れ［Ｇ、Ｂ１ｎｎ１ｇ　ｅｔａｌ、、　Ｈｅ１ｖｅｔｉ
ｃａＰｈｙｓｉｃａ　Ａｃｔａ、　５５．７２６　（１
９８２））、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り、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や溶液中でも動作し
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。

ＳＴＭはプローブとして金属の探針（プローブ電極）と
導電性物質の間に電圧を加えてｌｎｍ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
。また、これを応用した記録再生装置も発明されている
（特開昭６３−１６１５５２号公報および特開昭６３−
１６１５５３号公報）。

〔発明の目的〕

上述したＳＴＭや記録再生装置では、探針を試料に対し
、情報読取りや入力を行なわない時は不慮の接触を避け
る為に光分離しておき、情報読取り又は入力時には高精
度読取り、入力の為充分接近させる必要が生じている。

本発明は先に述べた従来例の応用発明であり上述接近、
離反運動を、プローブや試料の破損の危険性なしに行な
える様な情報読取り及び／又は入力装置を提供する事を
目的とする。

〔目的を達成する為の手段及び作用〕

上述目的を達成する為、本発明は試料に対向させたプロ
ーブを介して試料から情報を読取る、及び／又は試料に
情報を入力する装置において、前記プローブと試料とを
情報読取り及び／又は人力可能な位置まで近付けるべく
相対的に駆動させるための駆動機構と、前記プローブと
試料との間隔を微調整するための微調整機構と、前記プ
ローブと試料との間隔を検出するための間隔検出手段と
、前記駆動機構による前記プローブと試料との相対的駆
動中に前記間隔検出手段の検出結果に基づいて前記微調
整機構を制御する制御手段とを有し前記制御手段は微調
整が前記駆動機構による駆動速度より大きい逆向きの速
度となるよう制御している。

通常プローブと試料とを情報読取り及び／又は入力可能
な位置まで近付ける為の駆動機構は高ストロークが要求
されるので逆に位置の微調整が困難なものが用いられや
すい。この場合プローブと試料との近付は駆動中に両者
をぶつけてしまうおそれがある。本発明はこの移動中に
両者の間隔を微調整する機構を設け、この微調整が駆動
機構の駆動速度より大きくなる種制御した事により、両
者が近付きすぎた分を微調整して衝突を回避する事を可
能としている。

〔実施例〕

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の実施例に係る情報処理装置の構成を示
す概略図である。

同図において１０２はプローブ電極（探針）、■はＬＢ
法により５ＯＡＺ　（スクアリリウム−ヒス−６−オク
チルアズレン）を４層積層した記録媒体、１０３は真空
蒸着法によりＣｒを５０人堆積させ更にＡｕを３００人
同法により蒸着した基板電極であり、１０４ブ電流増幅
器で、１０６はプローブ電流が一定にな制御機構１０７
ごとプローブ電極１０２をＺ方向に粗動するＺ粗動機構
１１５、及び記録媒体側をＺ方向に大きく粗動する大粗
動機構１１０を制御する制御動する。

１０８はプローブ電極１０２と電極１０３との間に記録
媒体に記録再生消去の情報処理を行なうためのバイアス
電圧を印加するための電源である。１１６．１１７は記
録媒体ｌをプローブ電極１０２によってｘｙ方向走査す
る際微動制御機構１０７によって補うことのできない大
きさの駆動量を駆動させる為の移動機構（ＸＹ粗動駆動
回路１１６、ＸＹ粗動機構１１７）である。ＸＹ粗動機
構１１７は積層型の圧電素子の組み合わせからなる。

１１４はプローブ電極１０２に対し記録媒体ｌを太きく
ｘｙ力方向相対移動制御するためのＸＹステーシである
。

プローブ電極を記録再生時に微動位置制御するための微
動制御機構１０７は円筒型圧電素子からなっている。円
筒型圧電素子２０１の構成を第２図（ａ）（ｂ）に示す
。

円筒型圧電素子２０１の外周には同図（ａ）、　　（ｂ
）に示すようなパターンで電極２ａ、　２ｂ　、２ｂ’
　、　２ｃ。

２ｃ’が形成されており、内周側には、同図（ｂ）に示
すように−様な共通電極２ｄが形成されている。

そして、電極２ａに電圧を印加すると、図中Ｚ方向に伸
縮し、電極２ｂ、　２ｂ’　に逆極性の電圧を印加する
と、一方がＺ方向に伸び他方は２方向に縮んで円筒型圧
電素子はＸ方向に曲げられプローブ電極１０２はＸ方向
に駆動される。同様に電極２ｃ、　２ｃ’　−に電圧を
印加すると、プローブ電極１０２はＸ方向に駆動される
。

この微動制御機構は例えば最大でＺ方向に０．２μｍの
範囲内で駆動することができる。

また微動制御機構はその固定されていない自由端におい
て例えば最大で０．１μｍ程度の距離を１０μｓｅｃの
間に電圧印加を行なうことにより動かすことができる。

Ｚ粗動機構１１５はプローブ電極１０２を微動制御機構
によって補うことのできない領域でのＺ方向（プローブ
電極１０２と試料１の間隔方向）位置制御を行なうため
の移動機構であり積層型の圧電素子からなる。このＺ粗
動機構１１５は微動制御機構１０２よりも広範囲に駆動
することが可能であり、例えば最大で２方向に５μｍの
範囲内で移動させることができる。

また固定されていない自由端において例えば最大で６．
５μｍ程度の距離を０．１ｍ５ｅｃの間に電圧印加を行
なうことにより動かすことができる。

大粗動機構１１０、大粗動駆動回路１１１は試料をセッ
トし、その後試料をトンネル電流等の電流を検出する領
域にまでプローブ電極１０２に近づけるための距離制御
機構をなす。大粗動機構１１０はステッピングモーター
からなる。この大粗動駆動機構１１０はＺ粗動機構より
も広範囲に駆動することが可能であり、その範囲は例え
ば０．１μｍ〜１０ｍｍである。

更に駆動制御が可能な最小の駆動距離（ステップ幅）は
例えば０．１μｍである。

また大粗動機構１１０の駆動速度は例えば０．５ｍｍ／
ｓｅｃで行なうことが可能である。

制御回路１０６は大粗動機構１１０により試料をプロー
ブ電極に接近させるときには微動制御機構１０７あるい
はＺ粗動機構１１５、または両方の機構によってプロー
ブ電極を基底状態より大粗動機構１１０のステップ幅よ
りも大きい駆動量だけ記録媒体方向に予め移動させてお
く。そしてこの制御回路１０６は大粗動機構Ｆ’　１１
０の移動によって記録媒体１が近接し、トンネル電流等
の電流を検知したと同時に検知トンネル電流値に基づい
たあるいは任意の一定の距離だけＺ粗動機構１１５ある
いはＺ粗動機構１１５と微動制御機構両者１０７により
プローブ電極１０２を後退させるための制御機能をも有
している。

これらの各機器は全てマイクロコンピュータ−１１２に
よって中央制御されている。また１１３は再生情報等の
表示用の表示機器を表している。

次にプローブ電極が記録媒体１に接触せずに接近させる
方法を述べる。

第３図にタイムチャートを示す。下段は大粗動機構１１
０の伸び量、即ち駆動量であり、上段はこの時の検出ト
ンネル電流、中段はＺ粗動機構１１５のみ、又はこれと
微動制御機構１０７との合算の伸び量（駆動量）を示す
。まず記録媒体１をプローブ電極から１ｃｍ離して大粗
動機構１１０の上部にセットし、制御回路１０６を動作
させる。この後、Ｚ粗動機構１１５を大粗動機構１１０
の制御可能な最小駆動距離（最小駆動距離）よりも大き
な距離だけ駆動させる。即ち積層型の圧電素子からなる
Ｚ粗動機構１１５に電圧を印加し伸びた状態にする。

この状態からマイクロコンピュータ−１１２より大粗動
駆動回路に指令信号が発せられ、第３図下段に示される
様に徐々に大粗動機構を一定の速度で記録媒体１をプロ
ーブ電極１０２に接近させる。ここで第３図上段に示す
様にトンネル電流が発生した事を検出（即ちトンネル電
流が発生する距離に、プローブ電極１０２と記録媒体１
の間隔が達した事を検出）したら、直ちに大粗動機構１
１０の動きを停止させ、そのままの状態を維持させる様
制御回路１０６より指令信号が発せられる。この場合大
損動機構１１０の伸び量は第３図下段の実線で示す様に
なる。しかしながら大粗動機構に例えばステラピンクモ
ーターを用いた場合は一定距離を段階的に記録媒体１を
プローブ電極１０２に接近させるためΔ に可動部のへナーシャー等により急に駆動を停止させる
事ができない。即ち移動中にトンネル電流を検出しても
記録媒体１はそのままプローブ電極１０２に接近をし続
ける（オーバーランする）ことになる（第３図下段の二
点鎖線）。トンネル現象は間隙数十へで起こるのでトン
ネル電流を検出した後に大粗動機構１１０による相対的
移動が続くとプローブ電極１０２の記録媒体１への接触
を起こす可能性が非常に高くなる このため本装置はトンネル電流検出後、第３図中段に示
す様にＺ粗動機構１１５、あるいはＺ粗動機構１１５及
び微動制御機構１０７の引き込み動作（圧電素子をＺ方
向に基底状態まであるいは発生可能なオーバーラン距離
以上の任意の距離を縮める動作）を行なう。これにより
プローブ電極１０２は大粗動機構１１０による最大のオ
ーバーラン量より大きな距離だけ、記録媒体１から逃げ
る方向へ移動する。

また引き込み動作を行なう際には大粗動機構１１０Ｌま の移動速度（ここて！１き込み動作前の記録媒体１とプ
ローブ電極１０２の相対的接近速度）よりも速い速度で
Ｚ粗動機構１１５のみ、又はこれと微動制御機構１０２
両方の駆動を行なう。このようにしてトンネル電流検出
後、Ｚ粗動機構あるいは２粗動機構１１５及び微動制御
機構１０７による微調整、即ち引き込み動作を行なうこ
とによってプローブ電極１０２が記録媒体１表面に接触
するのを避けることが可能となる。

大粗動機構の駆動速度より高速で一気に引き込む動作を
行なうことによりプローブ電極１０２と記録媒体１との
接触を避けることができる。

記録再生消去は以下のようにして行なうことができる。

記録媒体１に情報の記録を行なうには、プローブ電極１
０２に記録媒体１を近づけ、バイアス電源（電圧印加装
置）１０８により、例えば高さ３．５Ｖ、幅５０ｎｓの
矩形状パルス電圧を印加することにより記録媒体ｌが特
性変化を起こし電気抵抗の低い部分（１ビツトに相当）
が生じることを使う。微動制御機構１０７及びＸＹ粗動
機構１１７を用いてプローブ電極１０２で記録媒体１を
相対走査しながら、所望の位置へパルス印加を行なうこ
とで記録ができる。

再生を行なうには、記録電圧より低い例えば２００ｍＶ
の直流電圧をプローブ電極１０２と記録媒体１とに加え
ながら、電流増幅器１０５と制御回路１０６を用いて検
出される電流が０．１ｎＡの一定になるように微動制御
機構１０７の２方向駆動をフィードバック制御しながら
記録媒体面上を記録時と同様に二次元走査する。この時
のフィードバック量（２方向駆動量）は記録媒体上の記
録情報に対応しており、記録位置との対応をとることで
再生を行なう。これらの制御はマイクロコンピュータ−
１１２ｉ：、Ｊ：って行なう。

消去を行なうには例えば５Ｖ、パルス巾１μｓの三角波
パルス電圧を印加して行なう。

第４図により本発明の第２実施例に係る情報処理装置を
説明する。本実施例の装置の構成、記録再生消去時の動
作は第１実施例と同様なので説明は省略する。本装置に
おける制御回路１０６による制御の仕方を第３図と同様
にして示した第４図のタイムチャートによって第３図と
の差異部のみ説明する。

ここでは、大粗動機構１１０の伸び量が第４図下段の如
く本来あるべき実線の状態から二点鎖線で示す様にオー
バーランしてしまった場合を考える。即ち、トンネル電
流が発生した時点で制御回路１０６は大粗動駆動回路１
１１に停止命令を出すが、大粗動機構１１０はオーバー
ランしてしまう。この際、検出トンネル電流は第４図上
段に示す様に漸時増加する。電流値が、プローブ電極１
０２と記録媒体ｌとが所定の間隔にある時に対応する値
Ｉ０になった時点で、制御回路１０６はトンネル電流値
が■。のまま一定になる様にＺ粗動機構１１５のみ又は
Ｚ粗動機構１１５と微動制御機構１０７に制御信号を送
る。即ち検出トンネル電流値が一定（１０）となる様Ｚ
粗動制御速度が大粗動機構の駆動速度より大きくなる様
にする。これにより、オーバーランがおこってもプロー
ブ電極１０２と記録媒体１の間隔は一定に保たれ、接触
することがない。プローブ電極１０２は、第１実施例と
同様大組動機構１１０の最小駆動距離よりも大きい距離
だけ基底状態から記録媒体１側に、Ｚ粗動機構１１５の
み、又はこれと微動制御機構１０７の両方によって駆動
しておくのが望ましい。トンネル電流値が■。まで達し
ない場合は制御微調整として、プローブ電極１０２、記
録媒体１間隔を両者間のトンネル電流値として検出し、
これに基づいてＺ粗動機構１１５のみ、又はＺ粗動機構
１１５バ・・１２ と微動制御機構１０７の両方によるフィート＝；；制御
を行ない、この特大粗動機構１１０の移動速度（ここで
は引き込み動作前の記録媒体１とプローブ電極１０２の
相対的接近速度）よりも速い速度てＺ粗動機構１１５及
び／又は微動制御機構１０２の駆動を行なうことにより
、プローブ電極１０２と記録媒体１との接触を避ける事
ができる。

上述実施例では記録再生を共に行なう装置であったが、
記録のみ、再生のみの装置であっても良い事は言うまで
もない。

又、上述装置は、試料として記録媒体ではなく被観察物
をもってくれば、被観察物の表面を観察する為のＳＴＭ
　（即ち表面情報の読取り装置）として用いる事ができ
る。これからも理解される様に本発明は記録再生に限ら
ずＳＴＭ等にも適用可能である。即ち被観察物又は記録
媒体の装着から観察又は情報処理までの準備段階におい
てそのプローブ電極に被観察物又は記録媒体を相対的に
接近させる際にプローブ電極の先端が被観察物または記
録媒体表面に接触する事無く行なうことが可能となるた
めに常に被観察物の観察においては空間分解能に優れた
像を得ることができ、情報処理においては記録再生のエ
ラーを減じることが可能となり、信頼性の高い装置を得
ることができる。

具体例においては駆動機構としての大粗動機構にステッ
ピングモーターを使用した場合について述べたがこれに
限定されることなくＤＣササ−モーター等の広範囲に駆
動可能である駆動機構であれば良い。微調整機構側の構
成も上述実施例に限られない。

又微調整は上述実施例の形態に限らず、例えば可能であ
れば微動制御機構のみを用いる様にしても良い。

〔発明の効果〕

以上述べた様に、本発明によって、試料とプローブとを
接近させる際に両者を接触させて破損させる事を防止し
、常に高精度な情報読取り及び／又は入力を行なう事が
可能でプローブ等の交換の頻度の少ない低コストな装置
が実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る情報処理装置を示す
ブロック図、 第２図（ａ）　（ｂ）は同装置で用いた円筒型圧電素子
の説明図、 第３図は同装置の動作を説明するタイムチャート図、 第４図は本発明の第２実施例に係る情報処理装置の動作
を説明するタイムチャート図である。 ｌ・・・記録媒体 １０２・・・プローブ電極 １０３・・・基板電極 １０４・・・基板 １０５・・・プローブ電流増幅器 １０６・・・制御回路 １０７・・・微動制御機構 ｌＯ８・・・バイアス電源 １０９・・・Ｚ走査駆動回路 １１０・・・大粗動機構 １１１・・・大粗動駆動回路 １１２・・・マイクロコンピュータ− １１３・・・表示装置 １１４・・・ＸＹステージ １１５・・Ｚ粗動機構 １１６−　Ｘ　Ｙ粗動駆動回路 １１７・ＸＹ粗動機構

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）試料に対向させたプローブを介して試料から情報を
   読取る、及び／又は試料に情報を入力する装置において
   、前記プローブと試料とを情報読取り及び／又は入力可
   能な位置まで近付けるべく相対的に駆動させるための駆
   動機構と、前記プローブと試料との間隔を微調整するた
   めの微調整機構と、前記プローブと試料との間隔を検出
   するための間隔検出手段と、前記駆動機構による前記プ
   ローブと試料との相対的駆動中に前記間隔検出手段の検
   出結果に基づいて前記微調整機構を制御する制御手段と
   を有し前記制御手段は微調整が前記駆動機構による駆動
   速度より大きい逆向きの速度となるよう制御することを
   特徴とする情報読取り及び／又は入力装置。 ２）前記制御手段は前記微調整機構に前記プローブと試
   料とを近付ける際と前記プローブを介して試料から情報
   を読取る際及び／又は試料に情報を入力する際に前記プ
   ローブと試料との間隔を微調整させることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の情報読取り及び／又は入力
   装置。 ３）前記間隔検出手段は前記プローブと試料との間に流
   れるトンネル電流に基づいて間隔検出を行なうことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の情報読取り及び／
   又は入力装置。