JPH05296710A - Inclination detecting method and device using the method - Google Patents

Inclination detecting method and device using the method

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JPH05296710A
JPH05296710A JP12552692A JP12552692A JPH05296710A JP H05296710 A JPH05296710 A JP H05296710A JP 12552692 A JP12552692 A JP 12552692A JP 12552692 A JP12552692 A JP 12552692A JP H05296710 A JPH05296710 A JP H05296710A
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inclination
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probe
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Katsunori Hatanaka
勝則 畑中
Kunihiro Sakai
邦裕 酒井
Takahiro Oguchi
高弘 小口
Akihiko Yamano
明彦 山野
Shunichi Shito
俊一 紫藤
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

PURPOSE:To detect an amount of inclination across a substrate using a plurality of electrodes. CONSTITUTION:Electrodes S1 to S6 are concentrically formed on the reverse side of a substrate 1 equipped with a probe head, and AC power supplies V1 to V6 are respectively connected thereto. The power supplies V1 to V6 generate voltage V1 to V6 respectively dephased with pi/3 (60 deg.) at the same angular frequency omega. A sample or a board 2 as recording media has a conductive electrode SS, and the electrodes S1 to S6 of the substrate 1 and the electrode SS form what is called a parallel plate capacitor. Electric current flowing to the electrode SS from the power supplies V1 to V6 via the electrodes S1 to S6 is detected with a load resistor RL as voltage output. The detected voltage Vd in this case is amplified by an amplifier 3 and, then, inputted to synchronous detectors 4 and 5. Furthermore, the detectors 4 and 5 synchronously detect voltage vector showing the X- and Y-axis directions of the probe head respectively as a reference signal. Then, the magnitude of the voltage vector detected at the board 2 in X- and Y-axis directions is detected as an inclination amount in respective directions.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、傾き検知方法及びそれ
を用いた情報処理装置、トンネル顕微鏡等に関するもの
である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an inclination detecting method, an information processing apparatus using the same, a tunnel microscope and the like.

【0002】[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(以下STMと云う)
が開発され[G.Binnig et al. Phys.Rev.Lett,49,57(19
82) ]、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ている。
2. Description of the Related Art In recent years, a scanning tunneling microscope (hereinafter referred to as STM) capable of directly observing the electronic structure of surface atoms of a conductor.
Was developed by [G. Binnig et al. Phys. Rev. Lett, 49, 57 (19
82)], single-crystal or amorphous, high-resolution measurement of real space images is possible.

【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り、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。
The STM is a metallic probe (probe electrode)
The fact that a tunnel current flows when a voltage is applied between the conductive materials to bring them closer to a distance of about 1 nm is used. This current is very sensitive to changes in the distance between the two, and by scanning the probe so as to keep the tunnel current constant, it is possible to read various types of information regarding all electron clouds in real space. At this time, the resolution in the in-plane direction is about 0.1 nm.

【0004】このSTMを用いた記録再生装置が、例え
ば特開昭61−80536号に開示されており、この記
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いて書き込みを行い、STMによ
りこのデータを再生している。
A recording / reproducing apparatus using this STM is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 61-80536. In this recording / reproducing apparatus, writing is performed by removing atomic particles adsorbed on the surface of the medium by an electron beam or the like. , STM is reproducing this data.

【0005】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、特開昭63−161552
号公報、特開昭63−161553号公報で提案されて
いる。この方法によれば、記録のビットサイズを10n
mとすれば、1012ビット/cm2 もの大容量記録再生
が可能である。
As a recording layer, a material having a memory effect with respect to switching characteristics of voltage and current, for example, a thin film layer of π-electron organic compound or chalcogen compound is used to record / record.
A method of reproducing by STM is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 63-161552.
Japanese Patent Laid-Open No. 63-161553. According to this method, the recording bit size is 10n.
When m, a large capacity recording / reproducing of 10 12 bits / cm 2 is possible.

【0006】更に、小型化を目的とし複数のプローブ電
極を半導体基板上に形成し、これと対向する記録媒体を
変位させ記録する装置が、特開昭62−281138号
公報、特開平1−196751号公報に開示されてい
る。
Further, a device for forming a plurality of probe electrodes on a semiconductor substrate for the purpose of downsizing and displacing a recording medium facing the probe electrodes for recording is disclosed in JP-A-62-281138 and JP-A-1-196751. It is disclosed in the publication.

【0007】これらは、半導体プロセスにより形成した
複数のカンチレバー上に、トンネル電流を検出するため
のプローブ電極をそれぞれ設け、これらに対向する記録
媒体を円筒状の圧電素子に取り付け、円運動を行わせる
ことにより記録再生を行っている。
In these devices, probe electrodes for detecting a tunnel current are provided on a plurality of cantilevers formed by a semiconductor process, and a recording medium facing them is attached to a cylindrical piezoelectric element to cause circular motion. By doing so, recording and reproduction are performed.

【0008】複数のプローブ電極を有するマルチプロー
ブアレイヘッドを用いて記録媒体にアクセスする場合
に、プローブヘッド基板と記録媒体基板とを平行に配置
しなければならない。通常、これらの両基板間の距離は
1〜3μmに設定される。更に、その距離のばらつき量
は±0.5μm以下であることが求められる。
When accessing a recording medium using a multi-probe array head having a plurality of probe electrodes, the probe head substrate and the recording medium substrate must be arranged in parallel. Normally, the distance between these two substrates is set to 1 to 3 μm. Further, the variation amount of the distance is required to be ± 0.5 μm or less.

【0009】例えば、300μmの長さのカンチレバー
上にプローブ電極を形成し、カンチレバーを静電力或い
は圧電薄膜による圧電力等により基板垂直方向に変位さ
せる場合に、その最大変位量は3〜10μmである。そ
して、全てのプローブ電極の先端が同一面上に並び、そ
れぞれが等しいプローブ電極・基板間距離を維持するた
めには、プローブヘッド基板と記録媒体基板との距離が
カンチレバーの可動範囲内の3μm以下の距離にあり、
かつそれぞれのカンチレバーの製造上から生ずる反りの
±1μm程度のばらつきを補償できる距離に置くことが
必要である。
For example, when a probe electrode is formed on a cantilever having a length of 300 μm and the cantilever is displaced in the vertical direction of the substrate by electrostatic force or piezoelectric power of a piezoelectric thin film, the maximum displacement amount is 3 to 10 μm. .. The tips of all the probe electrodes are arranged on the same plane, and in order to maintain the same probe electrode-substrate distance, the distance between the probe head substrate and the recording medium substrate is 3 μm or less within the movable range of the cantilever. At a distance of
In addition, it is necessary to set a distance that can compensate for a variation of about ± 1 μm in the warp caused by the manufacturing of each cantilever.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、複数
の電極を用いて基板間の傾きを検知する傾き検知方法及
びそれを用いた装置を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a tilt detecting method for detecting tilt between substrates using a plurality of electrodes, and an apparatus using the tilt detecting method.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの第1発明に係る傾き検知方法は、第1の基板と該第
1の基板に対向する第2の基板との相対的な傾きを検知
する方法であって、前記第1の基板に具備した複数の電
極にそれぞれ異なる位相を持つ交流電圧を印加する工程
と、前記複数の電極と対峙して前記第2の基板上に具備
した検出電極により前記複数の電極から前記検出電極に
流れ込む電流を検出する工程と、該検出した電流の位相
と振幅を測定する工程とを有することを特徴とする。
A tilt detecting method according to a first aspect of the present invention for attaining the above object comprises a relative tilt between a first substrate and a second substrate facing the first substrate. And a step of applying AC voltages having different phases to the plurality of electrodes provided on the first substrate, and a method of detecting the voltage on the second substrate facing the plurality of electrodes. The method is characterized by including a step of detecting a current flowing into the detection electrode from the plurality of electrodes by the detection electrode, and a step of measuring a phase and an amplitude of the detected current.

【0012】前記第1発明に関連する第2発明に係る情
報処理装置は、記録媒体と該記録媒体に接近し対向する
プローブヘッドを用いて記録・再生・消去を行う情報処
理装置であって、前記プローブヘッドに具備した複数の
電極と、これら複数の電極にそれぞれ異なる位相を持つ
交流電圧を印加する発振器と、前記複数の電極と対峙し
た前記記録媒体に具備した検出電極と、該検出電極によ
り検出された電流の位相と振幅を測定することにより前
記記録媒体とプローブヘッドとの傾きを検知する傾き検
知手段と、該傾き検知手段により検出された傾きを零と
する制御機構とを有することを特徴とするものである。
An information processing apparatus according to a second invention related to the first invention is an information processing apparatus for recording / reproducing / erasing by using a recording medium and a probe head approaching and facing the recording medium, A plurality of electrodes provided on the probe head, an oscillator for applying an alternating voltage having a different phase to each of the plurality of electrodes, a detection electrode provided on the recording medium facing the plurality of electrodes, and a detection electrode An inclination detection unit that detects the inclination between the recording medium and the probe head by measuring the phase and amplitude of the detected current; and a control mechanism that makes the inclination detected by the inclination detection unit zero. It is a feature.

【0013】前記第1発明に関連する第3発明に係る走
査型プローブ顕微鏡は、試料と該試料に接近し対向する
プローブヘッドを用いて試料表面の形状又は電子状態を
観察する走査型プローブ顕微鏡であって、前記プローブ
ヘッドに具備した複数の電極と、これら複数の電極にそ
れぞれ異なる位相を持つ交流電圧を印加する発振器と、
前記複数の電極と対峙した前記試料に具備した検出電極
と、該検出電極により検出された電流の位相と振幅を測
定することにより前記試料とプローブヘッドとの傾きを
検知する傾き検知手段と、該傾き検知手段により検出さ
れた傾きを零とする制御機構とを有することを特徴とす
るものである。
The scanning probe microscope according to the third invention related to the first invention is a scanning probe microscope for observing the shape or electronic state of the surface of a sample by using a sample and a probe head which approaches and faces the sample. And a plurality of electrodes provided in the probe head, and an oscillator for applying an AC voltage having a different phase to each of the plurality of electrodes,
A detection electrode provided on the sample facing the plurality of electrodes, an inclination detection means for detecting the inclination between the sample and the probe head by measuring the phase and amplitude of the current detected by the detection electrode, And a control mechanism for making the inclination detected by the inclination detection means zero.

【0014】[0014]

【作用】上述の構成を有する傾き検知方法及びそれを用
いた装置は、第1の基板に形成した複数の電極にそれぞ
れ異なる位相の交流電圧を印加し、これらの複数の電極
より第2の基板に流れ込む電流を検出し、更に第1の基
板との第2の基板の相対的な傾き量を情報として含む位
相成分で位相検波することにより傾き量を直接検知す
る。
In the tilt detecting method and the apparatus using the same having the above-described structure, alternating voltages having different phases are applied to the plurality of electrodes formed on the first substrate, and the plurality of electrodes form the second substrate. The amount of tilt is directly detected by detecting the current flowing into the device and further performing phase detection with a phase component containing the amount of tilt of the second substrate relative to the first substrate as information.

【0015】[0015]

【実施例】図1は本発明の傾き検知方法の動作原理図を
示す。プローブヘッドを具備する基板1の裏面に同心円
上に電極S1〜S6が形成され、交流電源V1〜V6がそれぞれ
接続されている。電源V1〜V6は同じ角周波数ωで、それ
ぞれπ/3(60°)ずつ位相がずれている電圧V1〜V6
を発生する。即ち、電極S1〜S6に印加された電圧V1〜V6
は、基板1面上を回転する電圧ベクトルを発生する。そ
して、電極Snに印加される電圧Vnは、次式で表される。 Vn=Vo・exp {i( ωt+(n−1)π/3)}) (ただし、n=1、2、3、・・・6、また、i2 =−
1)
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows the principle of operation of the tilt detecting method of the present invention. Electrodes S1 to S6 are formed concentrically on the back surface of the substrate 1 having a probe head, and AC power sources V1 to V6 are connected to the electrodes S1 to S6, respectively. The power sources V1 to V6 have the same angular frequency ω, and the voltages V1 to V6 are out of phase by π / 3 (60 °).
To occur. That is, the voltages V1 to V6 applied to the electrodes S1 to S6
Generates a voltage vector that rotates on the surface of the substrate 1. The voltage Vn applied to the electrode Sn is expressed by the following equation. Vn = Vo · exp {i (ωt + (n-1) π / 3)}) (where n = 1, 2, 3, ... 6, and i 2 = −
1)

【0016】試料又は記録媒体である基板2は、導電性
の電極SSを有し、基板1の電極S1〜S6と基板2の電極SS
は所謂平行平板コンデンサを形成しており、その静電容
量Cnは次式で示されるように、電極Snの面積Soと電極SS
との間の距離dnでそれぞれ決まる。εo を真空中の誘電
率とすると、次式となる。 Cn=εo ・So/dn
The substrate 2 which is a sample or a recording medium has a conductive electrode SS, and the electrodes S1 to S6 of the substrate 1 and the electrode SS of the substrate 2 are provided.
Form a so-called parallel plate capacitor, and its capacitance Cn is, as shown by the following equation, the area So of the electrode Sn and the electrode SS.
It is decided by the distance dn between and. When ε o is the permittivity in vacuum, the following equation is obtained. Cn = ε o・ So / dn

【0017】電源V1〜V6から電極S1〜S6を介して電極SS
へ流れ込む電流は、負荷抵抗RLで電圧出力として検出さ
れる。この時の検出電圧Vdは、 Vd=i・ω・RL・Σn (Cn・Vn) で表される。この電圧Vdを増幅器3で増幅した後に、同
期検波器4、5に入力する。
From the power sources V1 to V6 through the electrodes S1 to S6, the electrode SS
The current flowing into the load resistance RL is detected as a voltage output. The detection voltage Vd at this time is expressed by Vd = i · ω · RL · Σ n (Cn · Vn). This voltage Vd is amplified by the amplifier 3 and then input to the synchronous detectors 4 and 5.

【0018】同期検波器4、5はそれぞれプローブヘッ
ドのX軸、Y軸方向を示す電圧ベクトル(容量Cnを流れ
る電流は、電圧Vnより位相もπ/2だけ進むことから、
角周波数ωで位相が−π/2及び0の交流電圧)を、そ
れぞれ参照信号として同期検波を行う。即ち、基板2で
検出されるX軸方向、及びY軸方向の電圧ベクトルの大
きさを、それぞれの軸方向における傾き量として検知す
る。このとき、検知される傾き量Xc、Ycは、 Xc=π・A・Σn (cos [(n−1)π/3} /dn) Yc=π・A・Σn (sin [(n−1)π/3} /dn) (ただし、A=εo ・So・Vo・RL) ・・・(1)
The synchronous detectors 4 and 5 are voltage vectors indicating the X-axis and Y-axis directions of the probe head, respectively (since the current flowing through the capacitance Cn leads the voltage Vn by π / 2 in phase,
Synchronous detection is performed by using an AC voltage having an angular frequency ω and a phase of −π / 2 and 0) as a reference signal. That is, the magnitude of the voltage vector in the X-axis direction and the voltage vector in the Y-axis direction detected on the substrate 2 is detected as the amount of tilt in each axial direction. At this time, the inclination amount Xc is detected, Yc is, Xc = π · A · Σ n (cos [(n-1) π / 3} / dn) Yc = π · A · Σ n (sin [(n- 1) π / 3} / dn) (However, A = ε o · So · Vo · RL) (1)

【0019】ここで、基板1のX、Y方向の傾きをそれ
ぞれα、βとし、また同心円状に配置した電極S1〜S6の
座標半径をrとすると、距離dnは傾きα、β及び平均基
板間距離doにより、次式のように表すことができる。 dn=α・r・cos [(n−1)π/3} +β・r・sin [(n−1)π/3} +do
When the inclinations of the substrate 1 in the X and Y directions are α and β, respectively, and the coordinate radii of the electrodes S1 to S6 arranged concentrically are r, the distance dn is the inclinations α and β and the average substrate. It can be expressed by the following equation by the distance do. dn = α ・ r ・ cos [(n-1) π / 3} + β ・ r ・ sin [(n-1) π / 3} + do

【0020】更に、 1/dn=1/(do+Δdn) =1/do−Δdn/do2 +(Δdn)2 /do3 −・・・ と展開し、Δdn≪doの条件で、第2項まで取ると、 1/dn=1/do−α・r・cos [(n−1)π/3} /do2 −β・r・sin [(n−1)π/3} /do2 ・・・(2) となるから、傾き量Xc、、Ycは電極S1〜S6相互の距離に
対し平均基板間距離doが十分に小さい場合にはΔdn<<
doが成り立ち、(2) 式を(1) 式に代入し、 Xc=(π・A・r/2do2)・α Yc=(π・A・r/2do2)・β となる。
Furthermore, 1 / dn = 1 / ( do + Δdn) = 1 / do-Δdn / do 2 + (Δdn) 2 / do 3 - ··· and expand, under the conditions of Derutadn«do, until the second term Taking 1 / dn = 1 / do−α · r · cos [(n−1) π / 3} / do 2 −β · r · sin [(n−1) π / 3} / do 2 ·· Since (2), the inclination amounts Xc and Yc are Δdn << when the average inter-substrate distance do is sufficiently smaller than the distance between the electrodes S1 to S6.
do holds and substituting Eq. (2) into Eq. (1), Xc = (π · A · r / 2do 2 ) · α Yc = (π · A · r / 2do 2 ) · β.

【0021】ここで、傾き量Xc、Ycは始めに定義した方
向の傾きα、βを表している。この場合に、Xc及びYcの
方向は互いに直交している必要はなく、プローブヘッド
を有する基板1をチルトする機構の駆動軸に合わせるこ
とができる。また、プローブヘッド面を決める最小の軸
数は2であるが、2軸以上の駆動軸方向があってもそれ
ぞれの軸方向の傾きを検出できる。このような方法によ
れば、複雑な演算処理を行わずに平行平面保持の制御が
容易に行えるようになる。
Here, the inclination amounts Xc and Yc represent the inclinations α and β in the directions defined at the beginning. In this case, the directions of Xc and Yc do not have to be orthogonal to each other and can be aligned with the drive axis of the mechanism for tilting the substrate 1 having the probe head. Further, the minimum number of axes that determine the probe head surface is 2, but even if there are two or more drive axis directions, the inclination in each axis direction can be detected. According to such a method, it becomes possible to easily control the parallel plane holding without performing complicated calculation processing.

【0022】図2は傾き検知機構をSTM装置に応用し
た実施例の平面図、図3は正面図、図4は側面図であ
る。支持台10上には、観察試料Sを配置した試料台1
1と、XY面内で走査するXY走査駆動機構12と、支
持基板13をZ方向に移動するためのZ方向駆動機構1
4とが設置されている。ここで、観察試料Sは導電性で
あり、上述した電極SSも兼ねている。カンチレバー上に
形成されたプローブ電極を有するプローブヘッド基板1
5はプローブヘッド基板15は支持基板13により支持
されている。プローブヘッド基板15の周辺部には、上
述した電極S1〜S6が設けられている。また、Z方向駆動
機構14は4個のピエゾ素子16及びこれに取り付けら
れた尖り部17、引っ張りばね18を介して、支持基板
13をその傾き量が調整できるように支持している。
FIG. 2 is a plan view of an embodiment in which the tilt detecting mechanism is applied to an STM device, FIG. 3 is a front view, and FIG. 4 is a side view. The sample table 1 on which the observation sample S is arranged is mounted on the support table 10.
1, an XY scanning drive mechanism 12 for scanning in the XY plane, and a Z direction drive mechanism 1 for moving the support substrate 13 in the Z direction.
4 and are installed. Here, the observation sample S is electrically conductive and also serves as the electrode SS described above. Probe head substrate 1 having probe electrodes formed on a cantilever
The probe head substrate 5 is supported by the support substrate 13. The electrodes S1 to S6 described above are provided on the periphery of the probe head substrate 15. Further, the Z-direction drive mechanism 14 supports the support substrate 13 via four piezo elements 16, a sharpened portion 17 attached to the piezo elements 16, and a tension spring 18 so that the amount of inclination thereof can be adjusted.

【0023】図5はプローブヘッド基板15上の電極S1
〜S6の配置図であり、信号処理回路部19ではプローブ
ヘッド基板15に形成された複数のプローブ電極で検出
されたトンネル電流信号の処理を行い、外部回路に出力
する。電極S1〜S6には、それぞれ位相がπ/3ずつ回転
した交流電圧を印加する。本実施例では、プローブヘッ
ド基板15がSi基板であることを利用して、これらの
交流電圧の発生回路がプローブヘッド基板15上に一体
的に形成されている。
FIG. 5 shows the electrode S1 on the probe head substrate 15.
In the signal processing circuit unit 19, a tunnel current signal detected by a plurality of probe electrodes formed on the probe head substrate 15 is processed and output to an external circuit. An AC voltage whose phase is rotated by π / 3 is applied to each of the electrodes S1 to S6. In this embodiment, by utilizing the fact that the probe head substrate 15 is a Si substrate, these AC voltage generating circuits are integrally formed on the probe head substrate 15.

【0024】図6はSTMのブロック回路構成図を示
し、Z方向駆動機構14に取り付けられた傾き補正用の
ピエゾ素子16は、尖り部17を介して支持基板13を
裏面から支持し、支持基板13の表面に固定されたプロ
ーブヘッド基板15には、先端にプローブ電極21を有
する多数個のカンチレバー22が表面の中央に形成され
ており、表面の周辺部には傾き検知用の電極S1〜S6とし
ての駆動電極23が設けられている。プローブヘッド基
板15と対向する観察試料Sは、電極S1〜S6の対向電極
SSとなっていて試料台11の表面に固定され、負荷抵抗
RLと傾き補正制御回路24に結線されている。傾き補正
制御回路24の出力は、バッファ回路25を介してピエ
ゾ素子16に接続され、そのまま接近制御回路26にも
入力されている。
FIG. 6 shows a block circuit configuration diagram of the STM. The piezo element 16 for tilt correction attached to the Z-direction drive mechanism 14 supports the support substrate 13 from the back surface via the sharpened portion 17, and supports the support substrate. A plurality of cantilevers 22 having a probe electrode 21 at the tip are formed in the center of the surface of a probe head substrate 15 fixed to the surface of the surface 13, and electrodes S1 to S6 for tilt detection are provided in the peripheral portion of the surface. Drive electrodes 23 are provided. The observation sample S facing the probe head substrate 15 is a counter electrode of the electrodes S1 to S6.
It becomes SS and is fixed on the surface of the sample table 11, and the load resistance
It is connected to the RL and the inclination correction control circuit 24. The output of the inclination correction control circuit 24 is connected to the piezo element 16 via the buffer circuit 25, and is also input to the approach control circuit 26 as it is.

【0025】図面では、1本のプローブ電極にのみ回路
27〜31が付設されているように示しているが、実際
には各プローブ電極それぞれに、同様にこれらの回路が
付設されている。プローブヘッド基板15上の各プロー
ブ電極21は各電流増幅器27の入力に接続され、各電
流増幅器27の出力は、各差増幅器28の正入力及び共
通の画像表示回路29、共通の接近制御回路26の入力
に接続されている。各差増幅器28の負入力は基準電圧
Vrに接続され、出力は各PID制御回路30を介して各
カンチレバー22のZ方向の駆動電極と共通の画像表示
回路29に接続されている。また、接近制御回路26の
出力はZ方向駆動機構14に接続されている。更に、X
Y走査回路31の出力は画像表示回路29と試料台11
を支持する図2、図3に図示のXY走査駆動機構12と
に接続されている。また、これらを制御する制御CPU
32がこれらに接続されている。
In the drawing, the circuits 27 to 31 are shown to be attached to only one probe electrode, but in reality, these circuits are similarly attached to each probe electrode. Each probe electrode 21 on the probe head substrate 15 is connected to the input of each current amplifier 27, and the output of each current amplifier 27 is the positive input of each difference amplifier 28, the common image display circuit 29, and the common proximity control circuit 26. Connected to the input of. The negative input of each difference amplifier 28 is the reference voltage.
It is connected to Vr and its output is connected to the image display circuit 29 common to the Z-direction drive electrode of each cantilever 22 via each PID control circuit 30. The output of the approach control circuit 26 is connected to the Z-direction drive mechanism 14. Furthermore, X
The output of the Y scanning circuit 31 is the image display circuit 29 and the sample table 11.
Is connected to the XY scanning drive mechanism 12 shown in FIGS. In addition, a control CPU that controls these
32 is connected to these.

【0026】図7は交流電圧発生回路を示し、偶数個の
CMOSインバータ41がリング状に接続され、1個お
きに遅延容量42を接続して所謂リングカウンタの発振
回路が形成されている。インバータ41の接続段数及び
遅延容量42の大きさは、所望の発振周波数が得られる
ように設定され、図7では説明の都合上、12個のイン
バータ41により構成されている。電極S1〜S6はこの発
振回路の6回対称のタップ位置からそれぞれ電圧を取り
出しバッファ回路43で増幅されている。また、傾き量
検出用の信号Vx、Vyは電極の電圧よりπ/2進んだ電圧
のタップ及び電極と同相のタップからそれぞれ取り出さ
れている。
FIG. 7 shows an AC voltage generating circuit, in which an even number of CMOS inverters 41 are connected in a ring shape and a delay capacitor 42 is connected to every other CMOS inverter to form a so-called ring counter oscillation circuit. The number of connection stages of the inverter 41 and the size of the delay capacitor 42 are set so that a desired oscillation frequency can be obtained, and in FIG. 7, for convenience of description, the inverter 41 is composed of 12 inverters 41. The electrodes S1 to S6 extract voltages from the tap positions of the oscillator circuit which are symmetrical with respect to six times and are amplified by the buffer circuit 43. Further, the signals Vx and Vy for detecting the inclination amount are respectively taken out from the tap having a voltage advanced by π / 2 from the voltage of the electrode and the tap having the same phase as the electrode.

【0027】図8は傾き補正制御回路24のブロック回
路構成図であり、導電性を有する観察試料Sは、傾き検
知のための負荷抵抗RLを介してSTM用のバイアス電源
Vbに接続され、負荷抵抗RLに生ずる電圧は増幅器44で
増幅された後に、同期検波器45、46に接続されてい
る。同期検波器45、46には同期信号としてそれぞれ
図7の信号Vx、Vyが入力され、この位相により検波を行
う。同期検波器45、46の出力はフィードバック制御
のための演算処理回路47、48に入力される。演算処
理回路47、48はフィードバックループの系の安定性
を保持して制御するためのものであり、例えば一般的な
PID制御や、検出された傾き量から演繹的に制御量を
算出するフォワード制御、ファジィ理論を応用した制御
等の方法が適用される。最も簡単には、演算処理回路4
7、48を単純な増幅器で構成した比例制御でもよい。
FIG. 8 is a block circuit diagram of the inclination correction control circuit 24. The observation sample S having conductivity is biased for STM via a load resistor RL for inclination detection.
The voltage connected to Vb and generated in the load resistance RL is amplified by the amplifier 44 and then connected to the synchronous detectors 45 and 46. The signals Vx and Vy shown in FIG. 7 are input as synchronous signals to the synchronous detectors 45 and 46, respectively, and detection is performed based on this phase. Outputs of the synchronous detectors 45 and 46 are input to arithmetic processing circuits 47 and 48 for feedback control. The arithmetic processing circuits 47 and 48 are for controlling while maintaining the stability of the system of the feedback loop. For example, a general PID control or a forward control that a priori calculates the control amount from the detected tilt amount. , A method such as control applying fuzzy theory is applied. The simplest is the arithmetic processing circuit 4.
Proportional control in which 7, 48 are simple amplifiers may be used.

【0028】演算処理回路47、48で算出された2つ
の傾き制御量は4個の差動増幅器49に入力され、差又
は和、及びその符号の反転によって、プローブヘッドの
傾きを調整する4個のピエゾ素子16のそれぞれの駆動
電圧に変換される。即ち、X方向の傾きを変える場合に
は図4に示すピエゾ素子16a、16dを同方向に伸縮
し、ピエゾ素子16b、16cをピエゾ素子16a、1
6dとは逆の同方向に伸縮する。また、Y方向の傾きを
変える場合にはピエゾ素子16a、16bを同方向に、
またピエゾ素子16c、16dをピエゾ素子16a、1
6bとは逆の同方向にそれぞれ伸縮する。
The two tilt control amounts calculated by the arithmetic processing circuits 47 and 48 are input to four differential amplifiers 49, and four tilt adjustment amounts are adjusted by the difference or the sum and the inversion of the sign thereof. Are converted into respective driving voltages of the piezo elements 16. That is, when changing the tilt in the X direction, the piezo elements 16a and 16d shown in FIG. 4 are expanded and contracted in the same direction, and the piezo elements 16b and 16c are piezo elements 16a and 1d.
It expands and contracts in the same direction as 6d. When changing the inclination in the Y direction, set the piezo elements 16a and 16b in the same direction,
The piezo elements 16c and 16d are replaced by piezo elements 16a and 1
6b expands and contracts in the same direction as the opposite direction.

【0029】図9は同期検波回路45、46の回路例を
示す。入力が接続された増幅器50は正負両極性の出力
を持ち、正、負の出力がそれぞれアナログスイッチSW1
、SW2 を介して、抵抗RiとコンデンサCiから成る積分
回路に入力されている。位相参照信号Vin は増幅及び波
形整形された後にアナログスイッチSW1 の制御入力に接
続し、その反転信号がアナログスイッチSW2 の制御入力
に接続されている。この回路構成により、位相参照信号
Vin と同じ位相成分を持つ信号のみで積分回路の出力電
圧が発生し出力される。なお、この位相参照信号Vin は
同期検波回路45では信号Vxであり、同期検波回路46
では信号Vyである。
FIG. 9 shows a circuit example of the synchronous detection circuits 45 and 46. The amplifier 50 to which the input is connected has both positive and negative polarities, and the positive and negative outputs are analog switch SW1.
, SW2, and is input to the integrating circuit consisting of the resistor Ri and the capacitor Ci. The phase reference signal Vin is connected to the control input of the analog switch SW1 after being amplified and waveform-shaped, and its inverted signal is connected to the control input of the analog switch SW2. With this circuit configuration, the phase reference signal
The output voltage of the integration circuit is generated and output only with the signal that has the same phase component as Vin. The phase reference signal Vin is the signal Vx in the synchronous detection circuit 45, and the synchronous detection circuit 46
Then it is signal Vy.

【0030】次に、プローブヘッドと試料基板の接近動
作について説明する。負荷抵抗RLで検出された電圧によ
り、傾き補正制御回路24が傾き量を検知し、算出され
た駆動電圧がバッファ回路25を経て傾き補正用のピエ
ゾ素子16を駆動する。この回路ループの制御により、
試料Sとプローブヘッド基板15は互いに平行に保たれ
る。バイアス電源Vbにより試料Sとプローブ電極21と
の間に流れるトンネル電流は、電流増幅器27で電圧に
変換され差動増幅器28に入力される。差動増幅器28
はトンネル電流の値を基準電圧Vrと比較し、その差電圧
を増幅する。この差電圧が零となるように、PID制御
回路30が信号を出力してカンチレバー22のZ方向の
変位量を変化させる。
Next, the approaching operation of the probe head and the sample substrate will be described. The tilt correction control circuit 24 detects the tilt amount based on the voltage detected by the load resistance RL, and the calculated driving voltage drives the tilt correction piezo element 16 via the buffer circuit 25. By controlling this circuit loop,
The sample S and the probe head substrate 15 are kept parallel to each other. The tunnel current flowing between the sample S and the probe electrode 21 by the bias power supply Vb is converted into a voltage by the current amplifier 27 and input to the differential amplifier 28. Differential amplifier 28
Compares the value of the tunnel current with the reference voltage Vr and amplifies the difference voltage. The PID control circuit 30 outputs a signal to change the displacement amount of the cantilever 22 in the Z direction so that the difference voltage becomes zero.

【0031】更に、この傾き検知の出力を監視し、試料
Sとプローブヘッド基板15が平行であることを確認し
ながらZ方向駆動機構14を駆動し、プローブヘッド基
板15を試料Sに接近させる。この動作は接近制御回路
26により制御され、プローブ電極21にトンネル電流
が流れるまで行われる。プローブヘッド基板15上の全
てのプローブ電極21からトンネル電流が検出される
と、STMは試料Sの表面を観察できる状態となる。
Further, the output of the tilt detection is monitored, and while confirming that the sample S and the probe head substrate 15 are parallel to each other, the Z-direction drive mechanism 14 is driven to bring the probe head substrate 15 close to the sample S. This operation is controlled by the approach control circuit 26 and is performed until a tunnel current flows through the probe electrode 21. When the tunnel current is detected from all the probe electrodes 21 on the probe head substrate 15, the STM is in a state where the surface of the sample S can be observed.

【0032】STMの観察動作においては、トンネル電
流が常に一定値となるようにカンチレバー22の変化量
をフィードバック制御し、この時のカンチレバー22の
駆動電圧を画像表示回路29によりトポグラフ像に画像
化する。或いは、トンネル電流の平均値が一定となるよ
うにカンチレバー22を制御した状態で、トンネル電流
の高周波成分のみを画像表示回路29によってコンスタ
ントハイト像に画像化する。試料台11のXYステージ
をXY走査回路31により二次元走査する等の一連の動
作は、制御CPU32によりシーケンス制御される。ま
た、図6ではSTMの像観察動作を1つのプローブ電極
21のみについて説明したが、実際には複数のプローブ
電極21からのトンネル電流に対して並列に同様な処理
を行ってもよく、またマルチプレクサ等により、時分割
的に切換えを行って同時に画像表示を行ってもよい。
In the observation operation of the STM, the amount of change of the cantilever 22 is feedback-controlled so that the tunnel current is always a constant value, and the drive voltage of the cantilever 22 at this time is imaged into a topographic image by the image display circuit 29. .. Alternatively, the cantilever 22 is controlled so that the average value of the tunnel current is constant, and only the high frequency component of the tunnel current is imaged by the image display circuit 29 into a constant height image. A series of operations such as two-dimensional scanning of the XY stage of the sample table 11 by the XY scanning circuit 31 are sequence-controlled by the control CPU 32. Further, in FIG. 6, the STM image observing operation has been described with respect to only one probe electrode 21, but in practice, similar processing may be performed in parallel on tunnel currents from a plurality of probe electrodes 21. For example, the images may be displayed simultaneously by switching in a time-division manner.

【0033】このように、本発明に係る傾き検知方法を
複数のプローブ電極21を使用したSTMに応用するこ
とにより、プローブヘッドの試料Sへの接近が容易とな
り、試料の観察すべき領域を探す時間が短縮できる。ま
た、観察試料Sとプローブヘッドとの傾きにより生ずる
画像上のコントラストのむらもなくなる。
As described above, by applying the tilt detecting method according to the present invention to the STM using the plurality of probe electrodes 21, the probe head can easily approach the sample S and the region to be observed of the sample is searched. Time can be shortened. Further, the unevenness of the contrast on the image caused by the inclination between the observation sample S and the probe head is eliminated.

【0034】次に、本発明による記録再生装置について
説明する。図10は平面図、図11は正面図である。支
持台10に取り付けられたピエゾ素子16は尖り部17
を介して支持台61を支持し、XYZ駆動機構62は記
録媒体支持台63に固定された記録媒体基板RをXYZ
の3軸方向に駆動するように配置されている。プローブ
ヘッド基板15の支持台61は、ピエゾ素子16a、1
6bに取り付けられて裏面に当接する尖り部17と、支
持台10に固定されて表面に当接する支点P3による3点
で位置決めされている。
Next, the recording / reproducing apparatus according to the present invention will be described. 10 is a plan view and FIG. 11 is a front view. The piezo element 16 attached to the support 10 has a sharpened portion 17
The XYZ drive mechanism 62 supports the support base 61 via the recording medium substrate R fixed to the recording medium support base 63.
Are arranged so as to be driven in the three axis directions. The support base 61 of the probe head substrate 15 includes piezo elements 16a, 1
Positioning is performed at three points by a sharpened portion 17 attached to 6b and abutting on the back surface, and a fulcrum P3 fixed on the support base 10 and abutting on the front surface.

【0035】即ち、図12に示すように支持台61はそ
れぞれピエゾ素子16a、16bにより駆動される尖り
部17の接点P1、P2と、支点P3との3点で固定され、ピ
エゾ素子16a、16bを伸縮することにより支点P3に
対して60度の角度を持った2軸に関して傾きを変化さ
せることができる。そして、プローブヘッド基板15の
中央にはカンチレバー形成部位64が設けられ、その周
囲に傾き検知用の電極(SS電極)65が形成されてい
る。
That is, as shown in FIG. 12, the support base 61 is fixed at three points of the contact points P1 and P2 of the pointed portion 17 driven by the piezo elements 16a and 16b and the fulcrum P3, and the piezo elements 16a and 16b are fixed. By expanding and contracting, the tilt can be changed with respect to the two axes having an angle of 60 degrees with respect to the fulcrum P3. Then, a cantilever forming portion 64 is provided in the center of the probe head substrate 15, and an electrode (SS electrode) 65 for tilt detection is formed around the cantilever forming portion 64.

【0036】図13は記録媒体基板Rにおける傾き検知
駆動電極70の配置及び駆動回路の構成図である。記録
媒体基板Rの中央には記録層71が設けられ、その外側
にS1〜S4から成る傾き検知用駆動電極70が設けられて
いる。つまり、電極S1〜S4は正方形の各頂点に配置さ
れ、複数のインバータ72で構成されるリングカウンタ
の発振器から、それぞれ位相がπ/2ずつずれた信号が
バッファ増幅器73を介して供給される。また、後述の
傾き検知処理のために60°の角度を成す2つの駆動軸
に対応する方向の位相信号をπ/2だけ位相を進めた信
号φ1 、φ2 をこの発振器から取り出す。この際に、駆
動電極が持つ自己の静電容量による位相ずれを補償する
ため、補償コンデンサ74を並列に介して増幅器75に
より出力するようになっている。
FIG. 13 is a view showing the arrangement of tilt detection drive electrodes 70 on the recording medium substrate R and the configuration of the drive circuit. A recording layer 71 is provided in the center of the recording medium substrate R, and an inclination detecting drive electrode 70 composed of S1 to S4 is provided outside the recording layer 71. That is, the electrodes S1 to S4 are arranged at the respective vertices of the square, and the signals of which the phases are shifted by π / 2 are supplied from the oscillator of the ring counter composed of the plurality of inverters 72 via the buffer amplifier 73. Further, signals .phi.1 and .phi.2 obtained by advancing the phases of the phase signals in the directions corresponding to the two drive axes forming an angle of 60.degree. By .pi. / 2 are taken out from this oscillator for the inclination detection processing described later. At this time, in order to compensate for the phase shift due to its own electrostatic capacity of the drive electrode, the amplifier 75 outputs the compensation capacitor 74 in parallel.

【0037】図14は記録再生装置のブロック回路構成
図を示す。2つのピエゾ素子16と支点P3によって2軸
に関する傾斜を可変に支持されているプローブヘッド基
板15は、XYZ駆動機構62によって3軸方向に可動
に支持された記録媒体基板Rと対向し、プローブヘッド
基板15上のカンチレバー22の先端のプローブ電極2
1と記録媒体基板Rの記録層71とが近接され、プロー
ブヘッド基板15上の電極65と記録媒体基板Rの駆動
電極70とが対面している。電極65(即ち電極SS)に
接続された負荷抵抗RLの電圧が増幅器44で増幅された
後に、同期検波器45、46に入力され、その出力はそ
れぞれ演算処理回路47、48を介して2つのピエゾ素
子16a、16bにそれぞれ出力される。
FIG. 14 is a block circuit diagram of the recording / reproducing apparatus. The probe head substrate 15, which is variably supported by the two piezo elements 16 and the fulcrum P3 with respect to the inclination about the two axes, faces the recording medium substrate R movably supported by the XYZ drive mechanism 62 in the three axis directions, The probe electrode 2 at the tip of the cantilever 22 on the substrate 15
1 and the recording layer 71 of the recording medium substrate R are close to each other, and the electrode 65 on the probe head substrate 15 and the drive electrode 70 of the recording medium substrate R face each other. After the voltage of the load resistance RL connected to the electrode 65 (that is, the electrode SS) is amplified by the amplifier 44, it is input to the synchronous detectors 45 and 46, the outputs of which are output via the arithmetic processing circuits 47 and 48, respectively. It is output to the piezo elements 16a and 16b, respectively.

【0038】それぞれのプローブ電極21には抵抗Rxと
バイアス電源Vbを介して電流増幅器27が接続され、電
流増幅器27の出力が差動増幅器28の正入力に、基準
電圧Vrが負入力に結線され、差動増幅器28の出力はP
ID制御増幅器30を介してそれぞれのカンチレバー2
2のZ方向の駆動電極に接続されている。
A current amplifier 27 is connected to each probe electrode 21 via a resistor Rx and a bias power supply Vb. The output of the current amplifier 27 is connected to the positive input of the differential amplifier 28 and the reference voltage Vr is connected to the negative input. , The output of the differential amplifier 28 is P
Each cantilever 2 via the ID control amplifier 30.
2 is connected to the drive electrode in the Z direction.

【0039】記録媒体基板Rの増幅器75から出力され
る信号φ1 、φ2 は、それぞれ同期検波器45、46の
位相参照入力に接続され、また演算処理回路48の駆動
電流の大きさが接近制御回路26に伝達されるようにさ
れている。接近制御回路26は電流増幅器27の出力及
び演算処理回路47の出力も接続されており、XYZ駆
動機構62に出力が接続されている。また、XYZ駆動
機構62のXY駆動信号入力にはXY走査増幅器31の
出力が接続されている。
The signals φ1 and φ2 output from the amplifier 75 of the recording medium substrate R are connected to the phase reference inputs of the synchronous detectors 45 and 46, respectively, and the magnitude of the drive current of the arithmetic processing circuit 48 is the proximity control circuit. 26 is transmitted. The approach control circuit 26 is also connected to the output of the current amplifier 27 and the output of the arithmetic processing circuit 47, and the output is connected to the XYZ drive mechanism 62. The output of the XY scanning amplifier 31 is connected to the XY driving signal input of the XYZ driving mechanism 62.

【0040】プローブ電極21にはコンデンサCxを介し
て変調回路76の出力が接続され、変調回路76の入力
には外部からデータが入力されるようにされている。ま
た、電流増幅器27の出力は復調回路77の入力に接続
され、復調回路77は外部にデータを出力するようにさ
れている。
The output of the modulation circuit 76 is connected to the probe electrode 21 via a capacitor Cx, and data is input to the input of the modulation circuit 76 from the outside. The output of the current amplifier 27 is connected to the input of the demodulation circuit 77, and the demodulation circuit 77 outputs data to the outside.

【0041】なお、図14では示していないが、各プロ
ーブ電極毎にデータ読出し回路、データ書込み回路が設
けられている。
Although not shown in FIG. 14, a data reading circuit and a data writing circuit are provided for each probe electrode.

【0042】プローブヘッド基板15と記録媒体基板R
との接近動作は前述のSTMと同様に行われる。即ち、
負荷抵抗RLにより検出された信号は増幅器44で増幅さ
れ、同期検波器45、46に入力する。この同期検波の
参照信号φ1 、φ2 は60°の位相差を持っており、そ
れぞれピエゾ素子16a、16bの駆動軸に沿った傾き
成分が検出される。
Probe head substrate 15 and recording medium substrate R
The approaching operation with and is performed in the same manner as the STM described above. That is,
The signal detected by the load resistor RL is amplified by the amplifier 44 and input to the synchronous detectors 45 and 46. The reference signals .phi.1 and .phi.2 for this synchronous detection have a phase difference of 60.degree., And tilt components along the drive axes of the piezo elements 16a and 16b are detected.

【0043】同期検波器45、46から出力されるこれ
らの検出信号はフィードバックのための演算処理回路4
7、48を介してピエゾ素子16a、16bを駆動す
る。演算処理回路47、48の構成は相互の軸の傾きを
考慮する必要がなく、それぞれが安定なフィードバック
制御となるように設定がなされればよい。具体的にはP
ID制御、或いは単純な比例制御でよい。勿論、ファジ
ィ制御などを用いて、記録媒体とプローブヘッド間の接
近速度、プローブヘッドとの距離、プローブヘッドの傾
き量、カンチレバー22の反りのプローブヘッド面内の
ばらつきの分布傾向、及び駆動機構の持つ慣性量等のパ
ラメータを有機的に活用して制御すれば、更なる安定制
御ができることは云うまでもない。
The detection signals output from the synchronous detectors 45 and 46 are fed back to the arithmetic processing circuit 4 for feedback.
The piezo elements 16a, 16b are driven via 7, 48. The configurations of the arithmetic processing circuits 47 and 48 do not need to consider the inclinations of the mutual axes, and may be set so that the respective feedback control is stable. Specifically, P
ID control or simple proportional control may be used. Of course, by using fuzzy control or the like, the approach speed between the recording medium and the probe head, the distance from the probe head, the amount of inclination of the probe head, the distribution tendency of the variation of the cantilever 22 warp in the probe head surface, and the drive mechanism Needless to say, further stable control can be performed by organically utilizing and controlling the parameters such as the inertial amount.

【0044】接近制御回路26はプローブヘッド基板1
5と記録媒体基板Rとの傾き量、及び距離を監視しなが
ら接近動作を行う。プローブヘッド基板15と記録媒体
基板R間の距離は、記録媒体基板Rに設けた駆動電極7
0からプローブヘッド基板15の検出電極65に流れ込
む電流の総量を求めることで算出できる。本実施例で
は、駆動電極70をドライブする演算処理回路48への
供給電流により基板間の距離の測長を行っている。
The approach control circuit 26 is the probe head substrate 1
The approaching operation is performed while monitoring the amount of inclination between the recording medium substrate R and the recording medium substrate 5 and the distance. The distance between the probe head substrate 15 and the recording medium substrate R is equal to that of the drive electrode 7 provided on the recording medium substrate R.
It can be calculated by obtaining the total amount of current flowing from 0 to the detection electrode 65 of the probe head substrate 15. In this embodiment, the distance between the substrates is measured by the current supplied to the arithmetic processing circuit 48 that drives the drive electrode 70.

【0045】接近制御回路26はプローブヘッド基板1
5と記録媒体基板Rが平行に維持されるように制御しな
がら両者の接近を行い、プローブヘッド基板15と記録
媒体基板R間の距離が例えば3μmに達すると、各プロ
ーブ電極21のトンネル電流をチェックする。このと
き、全てのプローブ電極21がトンネル電流を検出して
いなければ接近速度を減速しながら接近を継続する。全
てのプローブ電極21がトンネル電流を検出した後に、
このZ方向接近動作は完了する。
The approach control circuit 26 is the probe head substrate 1
When the distance between the probe head substrate 15 and the recording medium substrate R reaches, for example, 3 μm, the tunnel current of each probe electrode 21 is changed. To check. At this time, if all the probe electrodes 21 do not detect the tunnel current, the approaching speed is reduced and the approaching is continued. After all the probe electrodes 21 detect the tunnel current,
This Z-direction approaching operation is completed.

【0046】プローブヘッドによってはカンチレバー2
2の反りの分布が一方向に傾いている場合がある。この
ような場合には、プローブヘッド基板15のプローブ電
極21が部分的にトンネル電流を検出した際に、その分
布状態を算出して補正するものとしてもよい。
Cantilever 2 depending on the probe head
The warp distribution of 2 may be inclined in one direction. In such a case, when the probe electrode 21 of the probe head substrate 15 partially detects the tunnel current, the distribution state thereof may be calculated and corrected.

【0047】本発明の記録再生装置では、プローブヘッ
ドと記録媒体との距離がプローブ電極21のトンネル電
流検出とは独立に測定できるため、容易にこれらのカン
チレバー22の反りの分布を算出することができる。
In the recording / reproducing apparatus of the present invention, since the distance between the probe head and the recording medium can be measured independently of the detection of the tunnel current of the probe electrode 21, the warp distribution of these cantilevers 22 can be easily calculated. it can.

【0048】次に、本発明の記録再生装置の記録再生動
作について説明する。プローブ電極から電流増幅器27
により増幅し、電圧に変換されたトンネル電流値は、差
動増幅器28により基準電圧Vrと比較され、この比較値
の平均が零となるようにPID制御増幅器30によって
カンチレバー22のZ方向の変位量が調整される。即
ち、この動作によりプローブ電極と媒体との間隔が一定
となるように制御される。この動作はプローブヘッド基
板15上の個々のカンチレバー22について行われる。
この状態で、XY駆動機構62により媒体をXY走査す
る。この時、記録媒体層に物理状態の変化として書き込
まれた情報は、プローブ電極21によりトンネル電流の
変化として読み出される。このトンネル電流は電流電圧
変換を行う電流増幅器27により増幅された後は、復調
回路77に入力する。復調回路77は読み出した信号か
らデジタルデータの形式に復元して出力する。
Next, the recording / reproducing operation of the recording / reproducing apparatus of the present invention will be described. From probe electrode to current amplifier 27
The tunnel current value which is amplified by and converted into a voltage is compared with the reference voltage Vr by the differential amplifier 28, and the PID control amplifier 30 displaces the cantilever 22 in the Z direction so that the average of the comparison value becomes zero. Is adjusted. That is, by this operation, the distance between the probe electrode and the medium is controlled to be constant. This operation is performed for each cantilever 22 on the probe head substrate 15.
In this state, the XY drive mechanism 62 scans the medium XY. At this time, the information written in the recording medium layer as a change in physical state is read by the probe electrode 21 as a change in tunnel current. This tunnel current is input to the demodulation circuit 77 after being amplified by the current amplifier 27 that performs current-voltage conversion. The demodulation circuit 77 restores the read signal to a digital data format and outputs it.

【0049】データ書き込み動作を行う場合には、再生
時と同様にプローブ電極、媒体間の間隔が一定となるよ
うにカンチレバー22を制御した状態で、変調回路76
により入力データを書き込み電圧に変換し、コンデンサ
Cxを介してプローブ電極21に印加する。
When the data writing operation is performed, the modulation circuit 76 is controlled while the cantilever 22 is controlled so that the distance between the probe electrode and the medium is constant as in the reproducing operation.
Converts the input data into the write voltage by
It is applied to the probe electrode 21 via Cx.

【0050】このように、本発明の傾き検出機構を記録
再生装置に応用することにより、プローブヘッド基板1
5を記録媒体基板Rに接近する際に、プローブ電極21
を記録層71に衝突させることがなくなり、記録データ
の損傷、プローブ電極21の劣化等が防止される。
As described above, by applying the tilt detecting mechanism of the present invention to the recording / reproducing apparatus, the probe head substrate 1
5 when approaching the recording medium substrate R, the probe electrode 21
Is prevented from colliding with the recording layer 71, and damage to recorded data and deterioration of the probe electrode 21 are prevented.

【0051】また、傾き検出のために印加した交流電圧
は、プローブヘッド基板15と記録媒体支持台63が平
行に保持された状態では互いに打ち消し合い、記録再生
時にノイズとしてプローブ電流に混入することはない。
Further, the AC voltage applied for detecting the inclination cancels each other out when the probe head substrate 15 and the recording medium supporting base 63 are held in parallel with each other, and may not be mixed into the probe current as noise during recording and reproduction. Absent.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る傾き検
知方法及びそれを用いた処理装置は、任意の方向の基板
傾き量を検出することができる。即ち、検出する傾き方
向を基板の傾き補正機構の駆動軸と一致させることによ
り、複雑な演算を行うことなく、容易にフィードバック
制御による平行平面保持制御を行うことができる。
As described above, the tilt detecting method according to the present invention and the processing apparatus using the same can detect the amount of substrate tilt in any direction. That is, by making the detected inclination direction coincide with the drive axis of the substrate inclination correction mechanism, it is possible to easily perform parallel plane holding control by feedback control without performing complicated calculation.

【0053】更に、本発明の傾き検知方法を用いること
により、プローブ電極が試料又は記録媒体から完全に離
れた状態からプローブヘッド基板と試料基板との傾き量
を検知することができる。即ち、プローブ電極がトンネ
ル電流を検出可能な領域に入る前から両基板間の平行度
を保つことができ、次のような利点がある。
Further, by using the tilt detecting method of the present invention, the tilt amount between the probe head substrate and the sample substrate can be detected from the state where the probe electrode is completely separated from the sample or the recording medium. That is, the parallelism between the substrates can be maintained before the probe electrode enters the region where the tunnel current can be detected, which has the following advantages.

【0054】(1) プローブ電極が記録媒体に衝突するこ
となく、高速にプローブヘッドを接近させることができ
る。
(1) The probe head can be approached at high speed without the probe electrode colliding with the recording medium.

【0055】(2) プローブヘッドと記録媒体間の距離を
測長することができるので、常に適正なプローブヘッド
・記録媒体間距離を保つことができる。
(2) Since the distance between the probe head and the recording medium can be measured, an appropriate distance between the probe head and the recording medium can always be maintained.

【0056】(3) プローブヘッドの退避動作及びアクセ
ス準備動作が簡単な制御回路で実現でき、装置の信頼性
が向上する。
(3) The probe head retracting operation and access preparation operation can be realized by a simple control circuit, and the reliability of the apparatus is improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】傾き検知の原理的説明図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of tilt detection.

【図2】STMの平面図である。FIG. 2 is a plan view of an STM.

【図3】STMの正面図である。FIG. 3 is a front view of an STM.

【図4】STMの側面図である。FIG. 4 is a side view of the STM.

【図5】プローブヘッド基板上での傾き検知用電極の配
置図である。
FIG. 5 is a layout view of tilt detection electrodes on a probe head substrate.

【図6】STMのブロック回路構成図である。FIG. 6 is a block circuit configuration diagram of an STM.

【図7】傾き検知用電極の駆動回路図である。FIG. 7 is a drive circuit diagram of an electrode for tilt detection.

【図8】傾き補正制御回路のブロック回路構成図であ
る。
FIG. 8 is a block circuit configuration diagram of a tilt correction control circuit.

【図9】同期検波回路の回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram of a synchronous detection circuit.

【図10】記録再生装置の平面図である。FIG. 10 is a plan view of a recording / reproducing apparatus.

【図11】記録再生装置の正面図である。FIG. 11 is a front view of the recording / reproducing apparatus.

【図12】プローブヘッドと傾き補正機構の駆動軸との
関係の説明図である。
FIG. 12 is an explanatory diagram of a relationship between a probe head and a drive shaft of a tilt correction mechanism.

【図13】傾き検知用の駆動電極の駆動回路図である。FIG. 13 is a drive circuit diagram of drive electrodes for tilt detection.

【図14】記録再生装置のブロック回路構成図である。FIG. 14 is a block circuit configuration diagram of a recording / reproducing apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、2 基板 3 増幅器 4、5 同期検波器 10 支持台 11 試料台 12 XY走査駆動機構 13 支持基板 14 Z方向駆動機構 15 プローブヘッド基板 16 ピエゾ素子 17 尖り先 21 プローブ電極 22 カンチレバー 23 駆動電極 24 傾き制御回路 26 接近制御回路 29 画像表示回路 32 CPU S 試料 R 記録媒体基板 1, 2 Substrate 3 Amplifier 4, 5 Synchronous detector 10 Support stage 11 Sample stage 12 XY scanning drive mechanism 13 Support substrate 14 Z direction drive mechanism 15 Probe head substrate 16 Piezo element 17 Pointed tip 21 Probe electrode 22 Cantilever 23 Drive electrode 24 Tilt control circuit 26 Approach control circuit 29 Image display circuit 32 CPU S Sample R Recording medium substrate

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山野 明彦 東京都大田区下丸子三丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 紫藤 俊一 東京都大田区下丸子三丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── (72) Inventor Akihiko Yamano 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (72) Inventor Shunichi Shito 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Within the corporation

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1の基板と該第1の基板に対向する第
2の基板との相対的な傾きを検知する方法であって、前
記第1の基板に具備した複数の電極にそれぞれ異なる位
相を持つ交流電圧を印加する工程と、前記複数の電極と
対峙して前記第2の基板上に具備した検出電極により前
記複数の電極から前記検出電極に流れ込む電流を検出す
る工程と、該検出した電流の位相と振幅を測定する工程
とを有することを特徴とする傾き検知方法。
1. A method for detecting a relative inclination between a first substrate and a second substrate facing the first substrate, wherein the plurality of electrodes provided on the first substrate are different from each other. Applying an alternating voltage having a phase, detecting a current flowing from the plurality of electrodes to the detection electrode by a detection electrode facing the plurality of electrodes and provided on the second substrate, and the detection And a step of measuring the phase and amplitude of the generated current.
【請求項2】 記録媒体と該記録媒体に接近し対向する
プローブヘッドを用いて記録・再生・消去を行う情報処
理装置であって、前記プローブヘッドに具備した複数の
電極と、これら複数の電極にそれぞれ異なる位相を持つ
交流電圧を印加する発振器と、前記複数の電極と対峙し
た前記記録媒体に具備した検出電極と、該検出電極によ
り検出された電流の位相と振幅を測定することにより前
記記録媒体とプローブヘッドとの傾きを検知する傾き検
知手段と、該傾き検知手段により検出された傾きを零と
する制御機構とを有することを特徴とする情報処理装
置。
2. An information processing apparatus for recording / reproducing / erasing by using a recording medium and a probe head which approaches the recording medium and faces the recording medium, wherein a plurality of electrodes included in the probe head and the plurality of electrodes are provided. Oscillators for applying alternating voltage having different phases to each other, detection electrodes provided on the recording medium facing the plurality of electrodes, and the recording by measuring the phase and amplitude of the current detected by the detection electrodes. An information processing apparatus comprising: an inclination detection unit that detects an inclination between a medium and a probe head; and a control mechanism that makes the inclination detected by the inclination detection unit zero.
【請求項3】 試料と該試料に接近し対向するプローブ
ヘッドを用いて試料表面の形状又は電子状態を観察する
走査型プローブ顕微鏡であって、前記プローブヘッドに
具備した複数の電極と、これら複数の電極にそれぞれ異
なる位相を持つ交流電圧を印加する発振器と、前記複数
の電極と対峙した前記試料に具備した検出電極と、該検
出電極により検出された電流の位相と振幅を測定するこ
とにより前記試料とプローブヘッドとの傾きを検知する
傾き検知手段と、該傾き検知手段により検出された傾き
を零とする制御機構とを有することを特徴とする走査型
プローブ顕微鏡。
3. A scanning probe microscope for observing the shape or electronic state of a sample surface by using a sample and a probe head that approaches and opposes the sample, and a plurality of electrodes provided on the probe head, and a plurality of electrodes. An oscillator for applying alternating voltage having different phases to the electrodes of the electrodes, a detection electrode provided on the sample facing the plurality of electrodes, and a phase and an amplitude of a current detected by the detection electrodes. A scanning probe microscope comprising: an inclination detecting means for detecting the inclination between the sample and the probe head; and a control mechanism for making the inclination detected by the inclination detecting means zero.
【請求項4】 前記プローブヘッドは複数のプローブを
備えたマルチプローブアレイヘッドとした請求項2又は
3に記載の装置。
4. The apparatus according to claim 2, wherein the probe head is a multi-probe array head having a plurality of probes.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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