JPH0466802A - プローブ形成方法及び装置 - 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】 ［産業上の利用分野コ 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（数人）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、寸法測長、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　
、　Ｂ　ｉｎｎｉｇ　ｅｔ　ａｌ、　　Ｈｅｌｖｅｔｉ
ｃａＰｈｙｓｉｃａ　Ａｃｔａ、　５５．７２６　（１
９８２）　］　、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かてきるようになった。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
液中ても動作し、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。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ケン化物類の薄膜
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か数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
位か小さいことは、勿論のこと、面内分解能を左右する
プローブ電極先端か原子・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、−船釣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、電解研摩法により先端を尖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、先端が尖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
たは再生することか必要である。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６
３−２６５０１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
手法かある。

しかしなから、上記従来例は、形成あるいは再生された
針の形状かまちまちでＳＴＭての表面観察中や記録・再
生装置での記録・再生の分解能か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かあった。

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かでき
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ｐ　Ａ　−ｎ　Ａオーダーのトンネル電流を制御し検
知するのに、前言己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〜で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。

［作用および効果コ 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
て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。

［実施例コ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

呈」ヨ２遺」【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１
５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、２
５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１
６の中心より離れた位置に基板２ｏ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、プローブ再生用型ｆｉ１４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、予め襞間して出した清浄面
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２
５、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か微動用円筒圧電素
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１
１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
状を正確に一定化てきる。

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との間の距離か一定
になるように電気的フィードパ・ンクを掛けなから、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て画像化し、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、ＨＯＰ
Ｇ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か損傷を受け、ＨＯＰＧ
の原子像か得られなくなった。

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ζ再度微小突起１３を形成させることかできた。

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
て実施したか、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Ｓ
ＴＭに適用した例について説明したか、本発明は何らＳ
ＴＭ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
るという太きな効果かあった。

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。

ここては、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−ヒ
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１
１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を通した電気的フィード
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
的フィードバックか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ホ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１
６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、再ひ粗動用圧電素
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間距離か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１００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ホルトを越える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。したかつて、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・再生装置を提倶で
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
例を示したか、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　流側 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
ゼ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Ｆ１１４
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たけの簡単な構成
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、再生することか可能となり、装置製造か比較的簡
便て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かあった。

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（紙面的左右の方向）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、ｌｌｂ
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がそれぞれに設けられている。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と探針再生用型８ｉ１４　ａお
よび１４ｂが設置されている。探針１１ａ、ｌｌｂ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！Ｉａ、Ｉｆｂは、探針振動手段１１
０ａ、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。ここて、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からの圧力信号を検知し、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・パックループ
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、１０
ｂ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機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、およびバントパスフィルタ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　＝　
２　ｐ　／　ｎとなるように探針振動手段１１０　（１
１０ａ、１１０ｂ）に加える探針振！Ｉｌ＋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２１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でパルス数を計数するこ゛とにより、信号２
ｆ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１２６、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２ｊＺを生成す
る。信号２ｆと信号２ｋ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によりて平均化
し、信号２ｎ　（３ｄ）を得る。さらに信号３ｄを二値
化回路１２ａ、１２ｂＯ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か、信号２ｇ
と２１についても同様の信号処理を行なって相対８　！
ｉｊ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とエンコーダ出力すの
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１３ａおよび１３ｂに対向
した位置に設けられている基準目盛１５ａ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１
０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７１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ｌｌｂ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１０８、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
のつ全波整流回路２０２により整流し、積分回路２０３
で信号を平均化し、比較器２０４て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￥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、１
３ｂ先端の損傷を判断てきる。

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か、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かある。

再形成を行なうための操作を以下に述へる。本実施例で
は、微小突起１３ｂ先端部か損傷を受けているので、第
６口紙面内左側の再形成機構を用いた。第６口紙面内右
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
が漬れる距離という、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１５
ｂ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１５
ｂかくるように調整し、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＋３（１３ａまたは
１３ｂ）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、　　１
１　ｂ）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、−船釣な電解研摩法を用
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、０１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ｉＥ　Ｍｌｌ
　４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。この状態て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１
５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
と試料間に生しているため、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か可能となり
、従来のエンコーダか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か
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。 ０ａ、１０ｂ：トンネル電流 １、Ｉｌａ、ｌｌｂ：探針（プローブ電極）２．１２ａ
、１２ｂニブローブ被覆材料３．１３ａ、１３ｂ：微小
突起 ４．１４ａ、１４ｂニブローブ再生用電極５、情報担体
（記録媒体および観察試料）５ａ、１５ｂ　　情報担体
（基準目盛）２．２２ａ、２２ｂ：パルス電源 第１図 第 図 第 図 Ｑ 第 図 第 図 第１０ 図

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. （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. （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. （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. （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. （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. （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. （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. （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. （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. （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. （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. （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. （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. （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. （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。