JPH06195774A

JPH06195774A - 情報処理装置および走査型プローブ顕微鏡と複数プローブ制御方法

Info

Publication number: JPH06195774A
Application number: JP34197792A
Authority: JP
Inventors: Isaaki Kawade; 一佐哲河出; Takahiro Oguchi; 高弘小口; Kunihiro Sakai; 邦裕酒井; 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: 1992-12-22
Filing date: 1992-12-22
Publication date: 1994-07-15

Abstract

(57)【要約】【目的】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。【構成】複数のプローブを順次選択する選択回路と、
選択された所定のプローブと媒体との間に生じる信号を
検出する信号検出回路と、選択されたプローブに対応し
て信号検出回路の出力を調整する調整回路と、調整回路
信号出力に基づいて選択されたプローブと媒体間の位置
を制御する信号を発生する制御回路と、複数のプローブ
についてそれぞれ設けられ、各プローブを移動させて媒
体との距離を変える複数のアクチュエータと、制御回路
の出力信号を選択されたプローブに対応して設けられた
アクチュエータに印加する切り替え回路と、各プローブ
毎の調整量を測定する調整量測定回路と、上記各回路に
おける選択動作、調整動作、切り替え動作および調整量
測定動作を制御する制御装置とを有する。

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
出しを行なう記録再生装置、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．Ｂｉｎｉｎｇｅｔａｌ．Ｐｈ
ｙｓ．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程度の距離まで近づけ
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ない、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で行な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６３−１６
１５５３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】上記の記録再生を行うプローブを駆動する
方法としては、圧電体で構成された長さ数１００μｍ程
度のカンチレバー（片持ちばり）上に取り付け、このカ
ンチレバーを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
バーを作成する方法があった(T.R.Albrecht et al. "Mi
crofabrication of integrated scanning tunnering mi
croscope" ; Proceedings of 4th International Confe
rence on scanning tunneling microscope/spectroscop
y 1990)。

【０００９】

【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。

【００１０】（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。

【００１１】（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成する場合、加工プロセスにバラつ
きが発生することを避けることはできない。このプロセ
スでのバラつきは、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バラつきやプローブ先端のティ
ップの感度すなわち、仕事関数値のバラつきを招き、複
数本のプローブの性能が異なってしまい、これらのプロ
ーブを最適な状態で制御することが難しくなるという問
題点がある。

【００１２】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。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の情報処理装置
は、対向配置された複数本のプローブと媒体との間に物
理現象により生じる信号を用いて記録情報の再生を行う
情報処理装置において、複数のプローブのうちの所定の
プローブを順次選択する選択回路と、選択回路により選
択された所定のプローブと前記媒体との間に生じる信号
を検出する信号検出回路と、選択回路により選択された
プローブに対応して前記信号検出回路の出力を調整する
調整回路と、調整回路信号出力に基づいて前記選択回路
により選択されたプローブと媒体間の位置を制御する信
号を発生する制御回路と、複数のプローブについてそれ
ぞれ設けられ、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、制御回路の出力信
号を前記選択回路により選択されたプローブに対応して
設けられたアクチュエータに印加する切り替え回路と、
選択回路、制御回路および切り替え回路の一連の動作が
実行されている間に各プローブ毎の調整量を測定する調
整量測定回路と、選択回路、調整回路、切り替え回路お
よび調整量測定回路における選択動作、調整動作、切り
替え動作および調整量測定動作を制御する制御装置とを
有する。この場合、調整回路が各プローブに対応したゲ
イン調整を行うこととしてもよい。

【００１４】さらに、調整回路が各プローブに対応した
調整を行うための各プローブに対応した調整量をストア
するメモリを設けてもよい。

【００１５】さらに、各プローブを対向する媒体との距
離を変化させ、この時プローブより検出される信号に基
づいて各プローブ毎の調整量を測定する手段を調整量測
定回路が具備するものとしてもよい。この場合、前記電
圧の変化に対する前記制御信号の変化の周波数応答性が
最大となるように調整量を測定することとしてもよい。

【００１６】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記の
ように構成された情報処理装置を有する。

【００１７】この場合、複数プローブから得られる画像
を、各プローブ毎に得られる補正量に基づいて補正を行
う画像補正回路を有してもよい。

【００１８】また本発明は、対向配置された複数本のプ
ローブと媒体との間に物理現象により生じる信号を用い
て記録情報の再生を行う時、複数のプローブと媒体との
間に生じる信号を、選択されたプローブと媒体間の位置
を制御するという複数プローブ制御方法も特徴としてい
る。

【００１９】

【作用】媒体と各プローブとの間の距離制御について、
調整量測定回路によって各プローブの性能に応じた最適
な調整量を測定し、その調整量に基づいて各プローブ毎
に異なる調整がなされるので、各プローブの制御性能を
最大限に引き出した状態で実行可能となる。また、調整
量測定回路が情報処理装置内に具備されているため、複
数プローブからなるヘッド全体を交換したりあるいは装
置使用による各プローブ性能の変化等があっても、その
都度調整量を測定し再調整することにより常に最適な状
態で前記距離制御が行える。このような調整を行うため
にプローブを選択することは、各プローブのそれぞれに
制御系を設けることなく、選択回路および切り替え回路
によって順次切り替えられて行われるので、装置が大型
化することはない。

【００２０】

【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。

【００２１】［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。

【００２２】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間距離制御
回路および調整量測定回路に関するものである。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】マルチプローブ１０１を構成する複数のプ
ローブ１０１₁，１０１₂，・・・１０１_nのそれぞれ
は、選択回路１０２と接続され、各々媒体１００に対向
配置されており、両者間にはバイアス電圧が印加されて
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１０１₁〜１０１_n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Ｉｎ（ｔ）に変換される（ｔは、
所定のサンプリング時刻）。

【００２６】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調整量
（ｇ１〜ｇｎ）を調整回路１０６に出力する。

【００２７】調整回路１０６は、比較器１０５出力ｅｒ
ｒｎ（ｔ）にメモリ１１１からの調整係数ｇｎを乗じ、
調整誤差信号［：ｅｎ（ｔ）］とする。１０７はこの調
整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（Ｐｒ
ｏｐｏｒｔｔｉｏｎａｌ＋Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御回路
である。このＰＩ制御回路１０７はメモリ１１２，１１
３にストアされたサンプリング時刻（ｔ−１）における
距離制御信号及び調整誤差信号データと、サンプリング
時刻（ｔ）における調整誤差信号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。

【００２８】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。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、低コスト化がはかられる。

【００２９】以上のようにして、複数プローブのうち所
定のプローブが選択され、媒体と選択されたプローブ間
に流れるトンネル電流をもとに、選択されたプローブに
応じた調整量により調整された値にしたがって最終的に
選択されたプローブのアクチュエータが駆動されること
によって、媒体とプローブの間の距離が制御される。た
だし、各プローブに応じた調整量は、制御ＣＰＵ１１４
に接続された調整量測定回路１１０により決定される。

【００３０】調整量の測定は、測定するプローブを選択
し、制御ＣＰＵ１１４の指令に従って上述したように媒
体と選択されたプローブ間の距離制御を実行しながら、
Ｄ／Ａ変換器１０８から出力される距離制御信号Ｕｎに
調整量測定回路からＺ方向変調信号（△Ｕｎ）を加算し
たときに同期して得られるトンネル電流の変調成分を調
べることにより行われる。

【００３１】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。

【００３２】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の調整回路の
動作を詳細に説明する。

【００３３】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は調整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。

【００３４】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バラつき、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。

【００３５】このとき図２の閉ループにおいてＰＩ制御
回路２０３出力Ｕｎから対数変換回路２０１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・φｎ^1/2・Ｇｎ・Ｕｎ）｝＝Ａ・φｎ^1/2・Ｇｎ・Ｕｎ＋Ｂ（Ａ，Ｂは定数）と表される。

【００３６】すなわち、プローブ毎のφ及びＧのバラつ
きは、閉ループ伝達特性のゲインバラつきになり、この
ままＰＩ制御回路２０３でサーボを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。ここで記した応答周波数とは、急激なトンネル電流
変化に対してプローブがどの程度まで追従可能であるか
を示す周波数であり、要するに媒体の凹凸に対するプロ
ーブの追従性を示したものである。ゆえに、その周波数
が高いほど、媒体の急激な凹凸に追従できることを示し
ているため、高い応答周波数が望まれる。しかし、各プ
ローブの性能に対し、適正なゲインを選べば応答周波数
が最大となるが、ゲインが適正値よりも低ければ応答周
波数は低下してしまうし、ゲインが適正値よりも大きけ
れば発振してしまう。このため全てのプローブに対し同
等のサーボをかけた場合、あるプローブではゲイン不足
によって周波数応答性が低下してしまい媒体の凹凸に十
分に追従できなくなってしまったり、あるプローブでは
ゲイン過多により媒体の凹凸部で発振してしまう。これ
により、ＳＴＭ等の表面観察装置などでは真の媒体表面
を観察できなくなったり、記録再生装置においては十分
なＪ記録再生が出来なくなってしまう。つまり、個々の
プローブが持つ性能によって最適なゲインを選んでやる
必要が生じてくるわけである。

【００３７】そこで、本実施例では調整回路２０２によ
り各プローブの性能に応じた最適な調整を行い、調整後
の誤差信号をＰＩ制御回路２０３に入れることで全ての
プローブの制御性能を最大限に引き出した最適な状態で
サーボ制御を行った。

【００３８】前述のように調整回路２０２では、比較器
出力にプローブ毎異なる調整量（：ｇｎ）を乗じてい
る。この調整量の測定方法について詳しく説明する。

【００３９】まず、全てのプローブからトンネル電流を
検出しトンネル電流が一定になるように媒体と各プロー
ブの距離制御を行うよう閉ループでサーボをかける。た
だし、このとき調整回路は動作することなく全てのプロ
ーブに対し同一のゲインが乗じられるよう設定されてい
る。距離制御を実行している状態で制御ＣＰＵ１１４か
ら調整量測定回路１１０を通じて、Ｚ方向変調信号（△
Ｕｎ）をＤ／Ａ変換器１０８から出力される距離制御信
号Ｕｎに加算してプローブのＺ方向を変調する。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Ｇmulti＝ΔＶｎ／ΔＵｎを求め
る。次に、Ｚ方向変調信号（△Ｕｎ）の周波数を変化さ
せることにより、伝達特性Ｇmultiの周波数応答性を調
べる。さらに、前述のゲインを変化させて、各ゲインに
対する伝達特性Ｇmultiの周波数応答性を調べ、応答周
波数が最大となりなおかつ発振しないようなゲインを測
定し各プローブの調整量（：ｇｎ）を決定している。

【００４０】図３は本発明による情報処理装置であり、
上記のような制御回路およびマルチプローブを備えた記
録再生装置の構成を示す図である。

【００４１】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の作成について図４を用いて
説明する。

【００４２】図４（ａ）は、マルチプローブヘッドの一
本のプローブ構造を示す図であり、図４（ｂ）は、図４
（ａ）中Ａ−Ｂの断面図である。

【００４３】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はティップ用電極である。

【００４４】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
製行程を記す。

【００４５】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。

【００４６】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Ｓ
ｉ基板−Ａｕ／Ｃｒ−ＡｌＮ−Ａｕ／Ｃｒ−ＡｌＮ−Ａ
ｕ／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
（図３参照）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％のバラつき
が存在し、やはり各プローブの性能が異なってしまって
いることがわかった。

【００４７】再び図３にもどり本実施例の記録再生装置
について説明する。３０２は記録媒体であり、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Ｚ方向の微動機構であるＺ
方向アクチュエータ３０３に取り付けられている。３０
４は各プローブ毎のデータ入出力とＺ方向制御を行う制
御回路であり、Ｚ方向アクチュエータ３０３は制御回路
３０４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。

【００４８】記録再生時、マルチプローブヘッド３０１
と記録媒体３０２の間にバイアス電圧を印加した状態で
Ｚ方向アクチュエータ３０３を傾きを調整しながら動か
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を記録媒体３０２に近づけ
る。さらに、図１で詳細を説明した制御回路３０４に具
備されたＺ方向制御回路により全てのプローブと対向す
る記録媒体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ＸＹ走査回路３０５はＸＹ走査信号
Ｓ３２を発生する。ＸＹ走査信号Ｓ３２は、記録媒体３
０２の載ったステージ３０８をそれぞれＸ方向、Ｙ方向
に駆動するＸ方向アクチュエータ３０６およびＹ方向ア
クチュエータ３０７に印加され、記録媒体３０２を２次
元に走査する。このとき、記録媒体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
ローブからの各種データ情報が得られる。

【００４９】記録媒体３０２として、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・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。また記録媒体３０２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３１２
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３０９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３１０で調整する。

【００５０】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。

【００５１】マルチプローブヘッド３０１と記録媒体３
０２の間にバイアス電圧を１００ｍＶ印加し、この状態
でＺ方向アクチュエータ３０３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
３０１を記録媒体３０２に近づける。さらに制御回路３
０４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記録媒体間の距離を一定と
するようにサーボをかけておく。この状態でＸＹ走査回
路３０５はＸＹ走査信号Ｓ３２を発生する。ＸＹ走査信
号Ｓ３２はＸ方向アクチュエータ３０６およびＹ方向ア
クチュエータ３０７に印加され、記録媒体３０２が載置
されたステージ３０８を２次元に走査する。

【００５２】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３０２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と記録媒体３０２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
１０ｎｍφ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。

【００５３】本実施例においてＺ方向制御回路でマルチ
プローブヘッド３０１からのトンネル電流信号を調整し
てＺ方向制御を行った。Ｚ方向制御を行うたＭ調整デー
タはメモリ３１１に格納し、図１でい説明したようなＺ
方向制御を行った。本実施例においては調整データを得
るために、記録再生に先立って記録媒体に流れるトンネ
ル電流によりサーボをかけ、プローブをＺ方向に変調し
た（△Ｕｎ）時の各プローブからの対数変換回路出力
（△Ｖｎ）をモニタし伝達特性Ｇmulti＝ΔＶｎ／ΔＵ
ｎの周波数応答性を調べた。さらに、各プローブのゲイ
ンを変化させてＧmultiの応答周波数が最大となりなお
かつ発振しないようなゲインを測定し各プローブの調整
量（：ｇｎ）を求めた。

【００５４】以上のような方法により、記録媒体のトラ
ッキングパターン３１２にあわせて各プローブをトラッ
キングしながら記録媒体にビット形成を行って連続記録
し、その後記録部の再生を行った。その結果、記録媒体
に初期から存在するステップ等の凹凸付近でも記録再生
が可能であり、記録媒体の凹凸に各プローブが十分に追
従できるように各プローブが最適な状態で制御されてい
ることがわかった。

【００５５】なお、本発明のような調整を行わず全ての
プローブで同一のゲインによりＺ方向の距離制御を行い
ながら上記方法で記録再生を実行した結果、ある一部の
プローブでは記録媒体に存在するステップ等の凹凸付近
においてうまく記録再生が行われなかった。すなわち、
本発明の調整回路を用いない場合、あるプローブでは記
録媒体の凹凸に追従できておらず、一部のプローブにお
ける制御が十分ではないことが示された。

【００５６】本発明の記録再生装置を用いることによ
り、復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、全てのプローブの制御性能を最
大限に引き出した良好な記録再生が可能となった。

【００５７】また、本実施例で示した方法により長時間
連続して記録再生を実行していたところ、プローブ自身
の性能が変化してしまうことにより、ある一部のプロー
ブで記録媒体に存在するステップにより凹凸にうまく追
従できなくなり、部分的に記録データの再生が不可能と
なってしまうという事態が発生した。しかし、本実施例
の調整量測定回路を再度動作させ、各プローブの最適な
調整量を再測定し、その調整量に基づいて調整しながら
上記記録再生を行ったところ、初期と同じ程度の記録再
生性能が得られた。

【００５８】すなわち、本発明の記録再生装置は調整量
測定回路を装置内に具備しているため、各プローブ性能
の変化にも即座に対応することができ、常に全てのプロ
ーブの制御性能を最大限に引き出した良好な記録再生が
可能となる。また、このことはマルチプローブヘッドを
交換したときも同様の測定を行うことにより簡単に全プ
ローブ性能を最大限に引き出して使用することが可能で
ある。

【００５９】［実施例２］図５は、本発明の第２の実施
例における情報処理装置である記録再生装置のマルチプ
ローブ制御回路の構成例を示す図である。本実施例で
は、図３に示した記録再生装置の制御回路中のＺ方向制
御系のみ図５に示した制御回路に置き換えて記録再生を
行った。また、記録媒体及びマルチプローブヘッド等も
実施例１と同じものを用いた。

【００６０】図５に示した制御回路は、バイアス電圧変
調により調整量を測定する手段を具備した調整量測定回
路５１０以外は図１で示した実施例１の調整回路と全く
同じものであり、選択回路、調整回路、ＰＩ制御回路お
よび切り替え回路等は実施例１と同様に動作する。

【００６１】以下に、本実施例の特徴である調整量測定
回路５１０について説明する。

【００６２】本実施例においては調整量を得るために、
記録再生に先立って記録媒体に流れるトンネル電流によ
りサーボをかけ、バイアス電圧を変調したときに流れる
トンネル電流に基づいて出力されるＺ方向変調信号の周
波数応答性を調べている。

【００６３】具体的には、まず制御ＣＰＵ１１４によっ
て全てのプローブから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媒体と各プローブの距離制御を行
うよう閉ループでサーボをかける。ただし、この時調整
回路は動差することなく全てのプローブに対し同一のゲ
インが乗じられるよう設定されている。距離制御を実行
している状態で制御ＣＰＵ１１４から調整量測定回路５
１０を通じて、バイアス電圧を変調する（△Ｖｂ）。こ
のとき各プローブからのトンネル電流信号、対数変換回
路出力、さらにＰＩ制御出力（△Ｕｎ）をモニタし、各
プローブについてバイアス電圧ＶｂからＰＩ制御出力Ｕ
ｎの伝達特性Ｇmulti₂＝ΔＵｎ／ΔＶｂを求めた。次
に、バイアス電圧変調信号（△Ｖｂ）の周波数を変化さ
せることにより、伝達特性Ｇmulti₂の周波数応答性を調
べた。さらに、前述のゲインを変化させて、各ゲインに
対する伝達特性Ｇmulti₂の周波数応答性を調べ、応答周
波数が最大となりなおかつ発振しないようなゲインを測
定し各プローブの調整量（：ｇｎ）を決定した。

【００６４】以上のような方法により最適な調整量で各
プローブを調整しながら実施例１と同様に記録再生実験
を行った結果、記録媒体に初期から存在するステップ等
の凹凸付近でも記録再生が可能であり、記録媒体の凹凸
に各プローブが十分に追従できるように各プローブがい
最適な状態で制御されていることがわかった。

【００６５】すなわち、本実施例の記録再生装置を用い
ることにより、復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、全てのプローブの制
御性能を最大限に引き出した良好な記録再生が可能とな
った。

【００６６】［実施例３］図６は、図１で示した制御回
路およびマルチプローブを備えた走査型トンネル顕微鏡
（ＳＴＭ）の一つの実施形態の構成図である。

【００６７】６０１はマルチプローブヘッドであり、実
施例１で説明したマルチプローブヘッドと同様の構成か
らなる。６０２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６０１が対向している。マルチプ
ローブヘッド６０１は微動機構であるアクチュエータ６
０３、さらに構造体６０９に取り付けられている。アク
チュエータ６０３は制御回路６０５が発生するアクチュ
エータ制御信号Ｓ６１によって制御される。

【００６８】表面観察時、マルチプローブヘッド６０１
と試料６０２の間にバイアス電圧を印加した状態でアク
チュエータ６０３を傾きを調整しながら動かし、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６０２を試料６０２に近づける。さらに、図
１で示したＺ方向制御回路６０４により全てのプローブ
と対向する試料６０２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６０５はＸＹ走査信号
Ａ６２を発生する。ＸＹ走査信号Ａ６２は、構造体６０
９に取り付けられたＸＹ走査機構６１０に印加され、試
料６０２の載った基台６０７を２次元に走査する。この
とき、試料６０２の表面の微妙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６０５に取り込み、ＸＹ走査信号Ｓ６２に同期さ
せて処理することで２５本のプローブからのＳＴＭ像が
得られた。

【００６９】さらに、ＳＴＭ像は二次元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６０
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６０１を移動して観察を
行った。

【００７０】本実施例においてもＺ方向制御回路６０４
でマルチプローブヘッド６０１からのトンネル電流信号
を調整してＺ方向制御を行っている。Ｚ方向制御を行う
ための調整データはメモリ６１１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調
整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、全てのプローブから検出さ
れるトンネル電流に基づき各プローブと試料の距離が一
定となるように制御回路６０５でサーボをかけた。ここ
で、プローブをＺ方向に変調した（△Ｕｎ）時の各プロ
ーブからの対数変換回路出力（△Ｖｎ）をモニタし伝達
特性Ｇmulti＝ΔＶｎ／ΔＵｎの周波数応答性を調べ
た。さらに、各プローブのゲインを変化させてＧmulti
の応答周波数が最大となりなおかつ発振しないようなゲ
インを各プローブについて測定した。その後、各プロー
ブから得られるＳＴＭ像の高さを補正するために、各プ
ローブの伝達特性Ｇmultiと調整量（：ｇｎ）を乗じた
値ＴＧｎ＝Ｇmulti×ｇｎが最小となるプローブを探
し、その最小値と他のプローブのＴＧｎが合致するよう
に各プローブの調整量（：ｇｎ’）を補正し、この
値（：ｇｎ’）を調整回路での調整量とした。

【００７１】以上のようなＳＴＭを用いて像観察を行っ
た結果、各プローブの変位感度バラつきを補正する状況
下で最適のＺ方向制御を行いながら、全てのプローブか
ら同じようにＳＴＭ像が得られた。

【００７２】本発明の走査型トンネル顕微鏡を用いるこ
とにより、復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。

【００７３】［実施例４］図７は、図１で示した制御回
路およびマルチプローブを備えた走査型トンネル顕微鏡
（ＳＴＭ）の一つの実施形態例の構成図であり、実施例
３で使用したＳＴＭに画像補正回路７０１を付加したも
のである。

【００７４】本実施例におけるＳＴＭは、基本的に実施
例３のＳＴＭと同様の動作をするが、制御回路６０５中
の調整量測定回路において調整量を決定する部分と各プ
ローブから得られる画像を画像補正回路７０１により補
正を行う点に特徴がある。

【００７５】実施例においても、実施例３と全く同様の
方法で調整量の測定を行った。すなわち、プローブをＺ
方向に変調した（△Ｕｎ）時の各プローブからの対数変
換回路出力（△Ｖｎ）をモニタし伝達特性Ｇmulti＝Δ
Ｖｎ／ΔＵｎの周波数応答性を調べ、さらに、各プロー
ブのゲインを変化させてＧmultiの応答周波数が最大と
なりなおかつ発振しないようなゲインを各プローブにつ
いて測定した。ただしここでは、このようにして得られ
たゲインを各プローブの調整量（：ｇｎ）として決め、
この調整量に基づいて各プローブのＺえ方向制御時の調
整を行いながら各プローブから試料表面の観察像を得て
いる。ただし、このままの状態で観察像を合成した場
合、各プローブの変位感度バラつきに起因する高さバラ
つきを含んだ広域観察像となってしまうため、本実施例
では画像補正回路を用いて画像データの補正を行ってい
る。各プローブの変位感度バラつきを補正するために
は、最終的に各プローブの伝達特性Ｇmultiが全てのプ
ローブで等しくなっているように画像データを補正して
おけばよいわけである。すなわち本画像補正回路では、
表面観察実行中における各プローブでの調整量ｇｎを乗
じたあとの伝達特性の値を基に、全てのプローブでの伝
達特性を等しくするための補正量ｈｎを算出しておき、
各プローブから得られた画像データに前述の補正量ｈｎ
を乗じることで補正を行っている。

【００７６】以上のようなＳＴＭを用いて像観察を行っ
た結果、各プローブで最適なＺ方向制御を行いながら、
なおかつ各プローブの変位感度バラつきを補正して、全
てのプローブから同じ用にＳＴＭ像が得られた。

【００７７】すなわち、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。

【００７８】［実施例５］実施例２で用いたバイアス電
圧変調により調整量測定回路を用いた以外はまったく実
施例４と同じＳＴＭを使用して試料の表面観察を行っ
た。

【００７９】その結果、実施例４と同様に、各プローブ
で最適なＺ方向制御を行いながら、なおかつ各プローブ
の変位感度バラつきを補正して、全てのプローブから同
じようにＳＴＭ像が得られ、本実施例の方法でも、複数
本のプローブを有するマルチ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。

【００８０】本発明で用いたカンチレバーは、ＡｌＮ，
ＺｎＯ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調整を行う
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。

【００８１】なお本発明では、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良い。
またＳＴＭに代わり、マルチプローブを有する電子間力
顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、プローブの弾性定数バラつ
きを調整する回路を有するプローブ−試料間の距離制御
回路に応用しても良い。

【００８２】さらに本発明では、調整回路として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値のバラつきによる変位の過渡特性を
調整するフィルタ回路、位相補償等の調整回路を構成し
ても良い。また、カンチレバーの反りのバラつきを調整
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調整する回路
を設けてもよい。

【００８３】

【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、請求項１０に記載の方法で制御することによ
り以下に示すような効果を奏する。

【００８４】請求項１乃至請求項７のそれぞれに記載の
ものにおいては、異なる性能を有する複数のプローブの
性能およびその性能変化に対応しながら常に各プローブ
の最大限の性能を発揮させ、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
実現出来る。

【００８５】請求項８および請求項９に記載のものにお
いては、上記効果を奏する走査型プローブ顕微鏡を実現
することができる効果がある。

【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
プローブを備えた情報処理装置である記録再生装置の一
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】本発明の第２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６】本発明の第３の実施例におけるＳＴＭの構成図
である。

【図７】本発明の第４の実施例におけるＳＴＭの構成図
である。

【符号の説明】

１００媒体１０１マルチプローブ１０２選択回路１０３Ａ／Ｄ変換器１０４対数変換回路１０５比較器１０６補正回路１０７ＰＩ制御回路１０８Ｄ／Ａ変換器１０９切り替え回路１１０，５１０調整量測定回路１１１〜１１３メモリ１１４制御ＣＰＵ３０１マルチプローブヘッド３０２記録媒体３０３Ｚ方向アクチュエータ３０４制御回路３０５ＸＹ走査回路３０６Ｘ方向アクチュエータ３０７Ｙ方向アクチュエータ３０８ステージ３０９トラッキング制御回路３１０トラッキングアクチュエータ３１１メモリ３１２トラッキングパターン６０１マルチブローブヘッド６０２試料６０３アクチュエータ６０４Ｚ方向制御回路６０５制御回路６０７基台６０８ディスプレイ６０９構造体６１０ＸＹ走査機構６１１メモリ７０１画像補正装置

───────────────────────────────────────────────────── 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３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】対向配置された複数本のプローブと媒体
との間に物理現象により生じる信号を用いて記録情報の
再生を行う情報処理装置において、前記複数のプローブのうちの所定のプローブを順次選択
する選択回路と、前記選択回路により選択された所定のプローブと前記媒
体との間に生じる信号を検出する信号検出回路と、前記選択回路により選択されたプローブに対応して前記
信号検出回路の出力を調整する調整回路と、前記調整回路信号出力に基づいて前記選択回路により選
択されたプローブと媒体間の位置を制御する信号を発生
する制御回路と、前記複数のプローブについてそれぞれ設けられ、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、前記制御回路の出力信号を前記選択回路により選択され
たプローブに対応して設けられたアクチュエータに印加
する切り替え回路と、前記選択回路、制御回路および切り替え回路の一連の動
作が実行されている間に各プローブ毎の調整量を測定す
る調整量測定回路と、前記選択回路、制御回路、切り替え回路および調整量測
定回路における選択動作、調整動作、切り替え動作およ
び調整量測定動作を制御する制御装置とを有することを
特徴とする情報処理装置。
【請求項２】請求項１記載の情報処理装置において、調整回路が各プローブに対応したゲイン調整を行うこと
を特徴とする情報処理装置。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の情報処
理装置において、調整回路が各プローブに対応した調整を行うための各プ
ローブに対応した調整量をストアするメモリを有するこ
とを特徴とする情報処理装置。
【請求項４】請求項１乃至請求項３のいずれかに記載
の情報処理装置において、各プローブを対向する媒体との距離を変化させ、この時
プローブより検出される信号に基づいて各プローブ毎の
調整量を測る手段を調整量測定回路が具備することを特
徴とする情報処理装置。
【請求項５】請求項４に記載の情報処理装置におい
て、前記調整量測定手段が、前記距離の変化に対する前記検
出信号の変化の周波数応答性が最大となるように各プロ
ーブ毎の調整量を測定する手段であることを特徴とする
情報処理回路。
【請求項６】請求項１乃至請求項３のいずれかに記載
の情報処理装置において、各プローブと対向する媒体との間に印加する電圧を変化
させ、この時制御回路から出力される制御信号に基づい
て各プローブ毎の調整量を測定する手段を調整量測定回
路が具備することを特徴とする情報処理回路。
【請求項７】請求項６に記載の情報処理装置におい
て、前記調整量測定手段が、前記電圧の変化に対する前記制
御信号の変化の周波数応答性が最大となるように各プロ
ーブ毎の調整量を測定する手段であることを特徴とする
情報処理回路。
【請求項８】請求項１乃至請求項７のいずれかに記載
の情報処理装置を有することを特徴とする走査型プロー
ブ顕微鏡。
【請求項９】請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡
において、前記複数プローブから得られる画像を、各プローブ毎に
得られる補正量に基づいて補正を行う画像補正回路を有
することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】対向配置された複数本のプローブと媒
体との間に物理現象により生じる信号を用いて記録情報
の再生を行う時の複数プローブ制御方法において、前記複数のプローブのうちの所定のプローブを順次選択
し、前記選択された所定のプローブと前記媒体との間に
生じる信号を、前記選択されたプローブの周波数応答性
能が最大になるよう調整し、前記調整信号に基づいて前
記選択されたプローブと媒体間の位置を制御することを
特徴とする複数プローブ制御方法。