JPH0552510A

JPH0552510A - 情報処理装置及び走査型トンネル電子顕微鏡

Info

Publication number: JPH0552510A
Application number: JP24232491A
Authority: JP
Inventors: Kunihiro Sakai; 邦裕酒井; Takahiro Oguchi; 高弘小口; Akihiko Yamano; 明彦山野; Shunichi Shito; 俊一紫藤; Katsunori Hatanaka; 勝則畑中
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-08-29
Filing date: 1991-08-29
Publication date: 1993-03-02
Anticipated expiration: 2015-12-18
Also published as: JP3118654B2

Abstract

(57)【要約】【目的】カンチレバーの端部に設けたプローブと記録
媒体との間に流れるトンネル電流を用いて情報の記録再
生等を行う情報処理装置において、カンチレバー制御用
信号とプローブ検出信号とのクロストークを抑止し、安
定な位置制御、Ｓ／Ｎの向上した検出信号等を得られる
手段を達成することにある。【構成】プローブ１と媒体３を接近させる手段と、プ
ローブと媒体との間に生じる物理現象から得られる微細
信号を検出する手段と、プローブの位置制御を行う微動
機構２とを少なくとも有し、かつ、該微動機構に印加さ
れる駆動信号を一時的に切り離すスイッチ機構１０を備
えている情報処理装置を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、媒体をプローブにより
２次元走査し、媒体とプローブの物理的相互作用により
記録再生等を行う情報処理装置、あるいは走査型トンネ
ル電子顕微鏡（ＳＴＭ）に関する。詳しくは、プローブ
接近制御と情報記録再生の方法に関するもので、特に、
ＳＴＭ及びＳＴＭの原理を応用した小型高密度な情報処
理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、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（以下ＳＴＭと
云う）が開発され［Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇｅｔ．ａｌ．，
ＨｅｌｂｅｔｉｃａＰｈｙｓｉｃａＡｃｔａ．５
５．７２６（１９８２）］、単結晶、非結晶を問わず高
分解能で実空間像の観測ができるようになり、しかもこ
のＳＴＭは試料物質に電流による損傷を殆ど与えずに低
電力で測定できる利点をも有し、更には超高真空中のみ
ならず大気中、溶液中でも動作し、種々の材料に対して
適用できるため広汎な応用が期待されている。

【０００３】ＳＴＭは金属の探針と導電性試料との間に
電圧を印加して、約１ｎｍ程度の距離まで近付けると、
トンネル電流が発生する現象を利用している。最近で
は、例えば特開昭６３−１６１５５２号公報、特開昭６
３−１６１５５３号公報に開示されるように、このＳＴ
Ｍの原理を応用し、超高密度記録・再生を主とした情報
処理装置を構成する提案が数多くなされている。即ち、
ＳＴＭの探針に相当するプローブ電極により、試料に相
当する記録媒体上に物理的変形を与え、又は媒体表面の
電子状態を変化させて情報を記録し、両者間を流れるト
ンネル電流により記録ビットの情報を再生する方法を用
いれば、分子、原子オーダの高密度で大規模情報を記録
再生できるとされている。

【０００４】なお、上述の記録方法の内、物理的変形を
与えるには、尖鋭な記録プローブを記録媒体に押圧させ
て凹ませる他に、グラファイト等の記録媒体上ではパル
ス電圧印加によりホールを形成できることが最近報告さ
れている。即ち、プローブ電極を記録媒体表面に近接さ
せた上で、両者間に３〜８Ｖ、１〜１００μｓのパルス
幅で電圧の印加を行うことで、直径約４０オングストロ
ーム程度のホールが形成でき、記録ビットとして十分に
使用可能である。一方、電子状態を変化させて記録を行
うには、記録媒体と下地電極とプローブ電極間に電圧を
印加して、微小部分の電気抵抗特性を変化させる方法が
知られており、消去・書換えが容易であるため注目され
ている。

【０００５】記録媒体としては、電圧−電流特性におい
てメモリ性のスイッチング特性を示す材料、例えばカル
コゲン化物類、π電子系有機化合物の薄膜層が用いら
れ、例えば下地電極上にラングミュア・ブロジェット法
（以下ＬＢ法と云う）によって適切な有機物質の累積膜
を作成したものが使用される。

【０００６】プローブ電極としては、例えばタングステ
ン、Ｐｔ−Ｉｒ、Ｐｔ等の針先端を機械的研磨後に電界
研磨したもの等を圧電素子に取り付けて、印加電圧によ
って変位制御を行うものが一般的である。プローブ電極
を動かす可撓部の製造方法としては、例えば半導体プロ
セス技術を用い、１個の基板上に微細な構造を作る加工
技術（Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ．．“Ｓｉｌｉｃｏｎ
ａｓＭｅｃｈａｎｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌ”．
ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩＥＥＥ．７
０ｖｏｌ．４２０ｐ，１９８２）がある。これによっ
て、例えば図９に示す単結晶シリコン基板２１に空孔部
３０を設け、シリコン基板２１に舌状の微動機構２を片
持ち支持で設け、その先端にプローブ電極１を取り付け
る加工も可能になった。

【０００７】この舌状部２は層状の圧電素子と電極から
構成されており、電極間に電圧を印加することによっ
て、プローブ電極が単結晶シリコン基板２１の平面と垂
直方向（Ｚ軸方向）に変化する。ＸＹ方向の変位に関し
ては、上記シリコン基板乃至対向する媒体を走査可能な
ステージ上に設置することで相対的な移動を行う。勿論
この時、舌状部２を多数個に配列した変換器アレイを備
えた記憶装置を実現することができる。なお、このよう
な片持ち構造の舌状部２の他に、橋梁状の両持ち梁構造
のものも知られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】微細加工で微動機構を
有するプローブを形成することは情報処理装置の小型
化，大容量化，高速化を図る上で大変有意である。しか
し、その反面、駆動の為の信号系と記録再生の信号系が
極めて接近する為にクロストークやＳ／Ｎ比の劣化を招
く。

【０００９】本発明の目的は、駆動系信号と記録や再生
信号との相互間のカップリングを減少乃至除去し、精密
な変位制御及び記録再生の再現性，安定性の向上を可能
としたプローブを用いる情報処理装置及び走査型トンネ
ル電子顕微鏡を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
するための本発明の構成は、プローブと媒体を接近させ
る手段と、プローブと媒体との間に生じる物理現象から
得られる微細信号を検出する手段と、前記プローブの位
置制御を行う微動機構とを少なくとも有する情報処理装
置において、かかる微動機構に印加される駆動信号を一
時的に切り離すスイッチ機構を設けた情報処理装置とし
ている点にある。

【００１１】かかる構成によれば、プローブを通して信
号印加或いは検出する期間中、上記スイッチをオフにす
ることで微動機構に印加された電圧はフローティング状
態となり、プローブ信号系に対して電気的ポテンシャル
を持たなくすることができる。その結果、駆動系信号か
ら微小信号であるプローブ系へのカップリングは著しく
減少もしくは除去される。

【００１２】尚、上述の構成において、プローブと媒体
を接近させる手段としては、圧電体の逆圧電効果を利用
するカンチレバー型アクチュエータを用いることが好ま
しく、また、上述プローブを複数個配置したマルチプロ
ーブとして構成することも好ましい手段である。

【００１３】さらに、上述のような構成においては、媒
体の代わりに観察試料を対象とすれば、トンネル電流に
て試料表面の観察が可能な走査型トンネル電子顕微鏡を
提供することもできる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００１５】（実施例１）図１は、本発明の第１の実施
例に係る情報処理装置を示すブロック構成図である。図
１中、３は記録媒体であり、これに接近してカンチレバ
ー型の微動機構２上に設けられたプローブ電極１が対向
している。微動機構２は積層型圧電素子（カンチレバー
型アクチュエータ）によって形成されており、Ｚ方向へ
の微小変位が可能である。

【００１６】Ｚ方向への粗動は微動機構２の支持体に設
けられており（不図示）、これによってプローブ１／媒
体３間の距離を大きく変化させることができる。尚、媒
体表面と平行なＸＹ方向への変位・走査は、媒体支持体
に設けられた走査機構（不図示）によって行う。かかる
装置においては、ＸＹ走査を行いながらプローブで検出
されたトンネル電流信号を電流アンプ４で増幅し、誤差
増幅器６で基準値と比較し、トンネル電流が一定になる
様に微動機構２をドライバー８によって駆動するサーボ
制御を行う。尚、１２は再生情報表示等を行う表示機器
を表わしている。また、ローパスフィルタ７はノイズ除
去、制御系の安定性向上を目的として採用している。１
０は微動機構の駆動系用ドライバーの出力側に設けられ
たスイッチであり、１１はプローブ信号をオン・オフす
るスイッチ、５はかかる信号を保持するためのサンプル
ホールドであり、これらはタイミング発生回路９によっ
てコントロールされている。

【００１７】前述の圧電体素子による微動機構の形成手
順を図２を用いて以下に説明する。先ず、シリコン半導
体基板２１表面に絶縁膜として膜厚５００ｎｍの窒化シ
リコン膜２２を高周波スパッタにより形成した（図２
（ａ））。次にフォトリソ工程を経て該窒化膜に開口部
２３（幅１μｍ）を設けた後、金属電極と圧電体の積層
構造から成る圧電体バイモルフを窒化膜上に形成した
（図２（ｂ）〜（ｅ））。電極材料としては、下地電極
２４にＣｒを下引きとしたＡｕを用い、中間電極２６お
よび上部電極２７にはＡｌを用いた。また、圧電体層２
５には高周波スパッタによって堆積したＺｎＯ（膜厚
１．２μｍ）を用いた。更に、以上のようにして作製し
たバイモルフ素子全体を、スパッタ法により堆積した窒
化シリコン膜から成る保護層２９で被覆した後に、蒸着
Ａｕで構成される円錐状の突起を有するプローブ１の形
成を行った。更に、ＫＯＨ水溶液をエッチャントとした
異方性エッチングを基板下部より行い、開口部３０に空
隙部を設けることによって、図２（ｆ）に断面概略を示
すプローブユニットを得た。

【００１８】かかるカンチレバーに於て、電極２６及び
２７間、電極２６及び２４間に印加される電圧差によっ
て、バイモルフ構造の圧電体素子がたわみ、プローブが
Ｚ方向に変位する。尚、プローブ用配線電極３１は図３
に示す様に、上部電極２７と同一面上に形成されてい
る。

【００１９】ここで、配線電極３１は上部電極２７との
間隔が数μｍ〜１０μｍ程度にて配置されるため、電極
間の結合容量やもれ抵抗が問題となってくる。また、配
線電極３１と中間電極２６間での結合容量，もれ抵抗も
存在し、実際に上述カンチレバーを用いて従来公知のＺ
方向の変位制御を行うと、駆動信号がプローブを通して
検出されるトンネル電流にて重畳し、フィードバックゲ
インを高くした状態での精密な制御を安定よく行うこと
が難しい。

【００２０】しかし、プローブで信号を検出する期間、
カンチレバーへの駆動信号を切り離すことで、電極２
７，２６，２４に印加された電圧はフローティング状態
となり、電位を持たなくなる。その結果、電極３１，２
７間、電極３１，２６間での電流の流出入が抑止され、
クロストークが改善される。一方、カンチレバーに印加
された電圧は、電極３１及び２６間、電極２６及び２４
間に形成されるコンデンサーによって一定時間保持され
る。すなわち、駆動信号が切り離されている期間が、コ
ンデンサの放電時間より短かければ、カンチレバーの変
位は保たれる。

【００２１】本発明をより詳細に説明する為に、具体的
な各信号のタイミングの一例を図４に示す。本図中、Ｓ
Ｄ，ＳＲはそれぞれカンチレバー駆動系に挿入されたス
イッチ１０，プローブ信号系スイッチ１１のオン・オフ
状態を表わす（Ｈｉがオン，Ｌｏがオフに相当）。かか
る信号はタイミング発生回路９内部のクロック信号ＣＬ
Ｋに同期している。

【００２２】今、ＳＤがオンの時駆動系はカンチレバー
に接続され、圧電体に印加される電圧Ｖｄｒｖは所望の
駆動電圧に達する。このとき、ＳＲはオンであっても良
いが、プローブ信号系から駆動系へのカップリング乃至
駆動系信号による電流アンプ４の飽和等の誤動作を考え
るとオフであることが好ましい。

【００２３】次に、ＳＤがオフになると、Ｖｄｒｖは徐
々に放電されるがｎクロック後（周期Ｔ）再び充電され
所望の電圧に到達する。ＳＤがオフになってｍクロック
後、ＳＲがオンになっている状態でサンプルホールド５
にサンプル信号ＳＴを印加し、プローブ信号を検出す
る。この時、ＳＤがオフであるためクロストークのない
良好な信号が得られる。ＳＴも周期Ｔで繰り返される。
従って、図１で示されるサーボ制御系は離散値系となる
が、サンプリング間隔Ｔが信号帯域より充分に短かけれ
ば何等問題なく、またかかる制御系をコンピュータ等を
用いたデジタル制御とすることは容易である。

【００２４】（実施例２）図５は本発明の第２の実施例
に係るプローブが設置された、カンチレバー型圧電体素
子による微細機構の上面図である。本実施例では、前述
プローブ配線電極３１とカンチレバー上電極２７とを一
体とした共用電極３２を用いた。システム構成及び制御
タイミングは実施例１と同一である。ＳＤとＳＲが同時
にオンにならないタイミングであれば、実施例１同様良
好なプローブ信号検出が可能であり、安定で精密な制
御、再現性の高い再生信号が得られる。

【００２５】（実施例３）図６に本発明の第３の実施例
に係るカンチレバーとプローブを複数個配置した情報処
理装置を示す。６１はＸＹ方向走査駆動回路、７０は記
録媒体、７５は記録媒体上のトラッキングパターン（凹
状の溝もしくは表面電子状態の異なるパターン）、７１
はステージと媒体の基台、７２はマルチプローブヘッ
ド、７３はカンチレバー、７４はプローブ電極、６２，
６４はそれぞれステージをＸ方向に駆動するドライバー
及びピエゾアクチュエータ、６３，６５はステージをＹ
方向に駆動するドライバー及びピエゾアクチュエータで
ある。６７はマルチプローブヘッドをＸ方向に駆動する
ピエゾアクチュエータ、６８は各プローブ毎のデータ入
出力とＺ軸方向の駆動制御をパラレルに行う様に各プロ
ーブ毎に設けられている制御回路が複数内蔵されている
制御回路部である。

【００２６】６６は６８からのトンネル電流信号とトラ
ッキングエッジ検出レベルとの比較からトラッキングパ
ターンの位置信号を検出してトラッキングずれを測定
し、それを補正すべくアクチュエータ６７を駆動するト
ラッキング制御回路部である。

【００２７】本実施例における各カンチレバーの制御
は、実施例１と同じように行う。トラッキングパターン
の追跡はマルチプローブヘッドに取り付けられたアクチ
ュエータ６７により行う。

【００２８】記録媒体７０としては、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を基板７１上
に形成したものを用いた。本実施例では、ガラスや雲母
などの平坦な基板上に金をエピタキシャル成長させた基
板７１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・ブ
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。

【００２９】各プローブ及びカンチレバーに接続される
信号線には、実施例１同様スイッチ素子が挿入されてい
る。具体的な回路例の一つを図７に示す。

【００３０】ＳＤ，ＳＲは実施例１同様、それぞれカン
チレバー駆動系、プローブ信号読出し系のスイッチ素子
である。検出されたプローブ信号は実施例１同様Ｚ軸制
御回路６８中に設けられたサンプルホールド素子ＳＴ
（不図示）を通して誤差増幅回路に接続される。ＳＷ，
ＳＥはそれぞれ記録用パルス印加回路，消去用パルス印
加回路に接続されたスイッチ素子である。各スイッチは
図８に示されるタイミングでオン・オフが制御される。
尚、各スイッチ素子は従来公知の半導体技術でシリコン
ウエハ上に作製したＭＯＳ型スイッチであり、カンチレ
バーは該シリコン基板上に実施例１と同一の工程を用い
形成した。

【００３１】かかる装置を用いた記録／再生／消去の実
験は、以下の様にして行った。各プローブは、プローブ
信号検出及びＺ軸制御回路６８を用いてバイアス電圧１
００ｍＶの条件下でプローブ電流が１ｎＡになる位置で
止める。この時、ＳＤとＳＲ，ＳＴは実施例１と同一の
タイミングで制御を行う。次に、ＸＹ走査回路６１によ
って記録媒体７０をプローブ７４に対しＸＹ方向に走査
させる。このとき、プローブは３０５によって記録媒体
表面に対し一定の距離に保持される。この状態で、ＳＲ
をオンさせる替わりにＳＷをオンする（記録）。ＳＷは
具体的には＋６Ｖのバイアス電源に接続されており、Ｓ
Ｗがオンしている間、プローブと記録媒体間には波高値
＋６Ｖのパルスが印加される。ＸＹ走査を待って再びプ
ローブがパルス印加が行われた場所に戻った時点で、検
出されるプローブ電流は瞬間的に約０．１μＡまで増加
した。記録位置での検出電流が約２桁増加していること
が読み出される（再生）。更に、再びＸＹ走査されてプ
ローブが記録ビット位置に達した時、ＳＲの替わりにＳ
Ｅをオンさせることにより、記録媒体に−４Ｖ波高値の
パルスを印加（消去）すると、以後かかる位置で検出さ
れるプローブ電流は１ｎＡに戻る。以上の記録／再生／
消去は安定に繰り返すことができる。また、図８に示す
様に複数のプローブに対し、それぞれ独立に同様の実験
を行うことができ、本発明がマルチのプローブを用いた
情報処理装置に於ても有用であることがわかる。

【００３２】

【発明の効果】以上の本発明によれば、微動機構制御用
信号とプローブ検出乃至印加信号とのクロストークを抑
止或いは除去することができ、安定な位置制御、Ｓ／Ｎ
比の向上した検出信号、再現性の高い記録再生を得るこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の情報処理装置のブロック構成図
である。

【図２】バイモルフ駆動のカンチレバー型圧電体素子の
形成手順を示す断面図である。

【図３】カンチレバー外形概略図（平面及び断面）であ
る。

【図４】スイッチ素子及び圧電体に印加される電圧のタ
イミング図である。

【図５】本発明に係る第２の実施例のカンチレバー外形
概略図である。

【図６】本発明に係る第３の実施例の情報処理装置ブロ
ック構成図である。

【図７】ｊ番目のカンチレバー及び接続される信号、ス
イッチ素子を示す回路図である。

【図８】スイッチ素子の駆動タイミング図である。

【図９】カンチレバー型の微動機構及び微動機構上に設
けられたプローブ電極を表わす概略図である。

【符号の説明】

１プローブ２微動機構３媒体４電流アンプ５サンプルホールド６誤差増幅器７ローパスフィルタ８ドライバー９タイミング発生回路１０駆動系信号切離しスイッチ１１プローブ系信号切離しスイッチ１２表示機器２１シリコン半導体基板２２窒化シリコン膜２３開口部２４下地電極２５圧電体層２６中間電極２７上部電極２９保護層３０開口部３１プローブ用配線電極３２共用電極６１ＸＹ方向走査駆動回路６２ドライバー６３ドライバー６４Ｘ方向ピエゾアクチュエータ６５Ｙ方向ピエゾアクチュエータ６６トラッキング制御回路部６７アクチュエータ６８Ｚ軸制御回路部７０記録媒体７１基台７２マルチプローブヘッド７３カンチレバー７４プローブ電極７５トラッキングパターン

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者畑中勝則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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プローブと媒体を接近させる手段と、プ
ローブと媒体との間に生じる物理現象から得られる微細
信号を検出する手段と、プローブの位置制御を行う微動
機構とを少なくとも有し、かつ、該微動機構に印加され
る駆動信号を一時的に切り離すスイッチ機構を備えてい
ることを特徴とする情報処理装置。
【請求項２】プローブと媒体を接近させる手段の一部
又は全部を構成する機構として、カンチレバー型圧電体
を用いることを特徴とする請求項１に記載の情報処理装
置。
【請求項３】媒体と対向させた複数個のプローブを有
することを特徴とする請求項１又２に記載の情報処理装
置。
【請求項４】媒体と対向させた複数個のプローブ、及
び該プローブの接近機構を独立に駆動する手段を具備す
ることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の情報
処理装置。
【請求項５】プローブを試料表面に接近させる手段
と、プローブと試料表面との間に生じるトンネル電流を
検出する手段と、プローブの位置制御を行う微動機構と
を少なくとも有し、かつ、該微動機構に印加される駆動
信号を一時的に切り離すスイッチ機構を備えていること
を特徴とする走査型トンネル電子顕微鏡。