JPH06251436A - 探針の位置制御装置及び方法及びこれを用いた情報記録再生装置、走査型プローブ顕微鏡、リソグラフィー装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 探針と試料あるいは探針と記録媒体との間に
流れる電流を一定に制御し、信頼性および記録再生速度
が向上された情報記録再生装置、走査型プローブ顕微
鏡、リソグラフィー装置を実現することを目的とする。 【構成】 基板と、基板に対向配置された探針と、基板
および探針との間に、これらと接するように配置された
第１の弾性体と、探針を支持する第２の弾性体と、第２
の弾性体に弾性変形を起こさせる駆動手段と、探針と基
板との間に生じる物理量を検出する手段と、検出手段か
らの出力をもとに、物理量が一定となるように駆動手段
を制御する制御手段とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、弾性体で支持した探針
を、別の弾性体として機能する記録媒体、試料、レジス
トに接触させ、これらの間に作用する力を利用して、探
針の位置制御を行なう装置及び方法及びこれを用いた情
報処理装置、走査型プローブ顕微鏡、リソグラフィー装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年米国特許ＵＳＰ−４３４３９９３号
に記載されているように、ナノメートル以下の分解能で
導電性物理表面を観察可能な走査型トンネル顕微鏡（以
下ＳＴＭと略す）が開発され、金属・半導体表面の原子
配列、有機分子の配向等の観察が原子・分子スケールで
なされている。また、このＳＴＭの原理を応用し、記録
媒体に対して原子・分子スケールでアクセスし、記録再
生を行なうことにより、高密度メモリーを実現するとい
う提案がなされている（米国特許ＵＳＰ−４５７５８２
２号、特開昭６３−１６１５５２号公報、 特開昭６３
−１６１５５３号公報）。さらにこれらのＳＴＭあるい
はＳＴＭの原理を応用した高密度メモリーにおけるプロ
ーブあるいは記録ヘッドをフォトリソグラフィー技術を
用いて作製し、さらに複数のプローブあるいは記録ヘッ
ドを集積化して、顕微鏡装置あるいはメモリー装置とし
ての信頼性・記録再生速度を向上させるという提案もな
されている（米国特許ＵＳＰ−４６６８８６５号，４８
３１６１４号，４９０６８４０号，５０１５８５０
号）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来例のプロー
ブあるいは記録ヘッドをフォトリソグラフィー技術によ
って作製し、複数を集積化するものにおいては、トンネ
ル電流を検出する探針をカンチレバーで支持し、このカ
ンチレバーを圧電力や静電力により駆動し、探針と試料
あるいは探針と記録媒体との間に流れるトンネル電流が
一定になるように、探針と試料あるいは探針と記録媒体
との間隔を制御するようにしている。

【０００４】しかしながら、探針先端と試料あるいは記
録媒体との間には、フォンデルワールス力、探針表面や
試料表面、記録媒体表面に吸着している水などの液体の
表面張力、これらの間に印加される電圧による静電力等
が原因である吸着力が働き、これらの力とカンチレバー
の橈みの弾性力とのつり合いの関係で、探針と試料ある
いは探針と記録媒体との間隔において、制御できない領
域が生じてしまう。

【０００５】すなわち、試料あるいは記録媒体に対し
て、探針先端を数ナノメートル程度の距離に近づけたと
き、吸着力とカンチレバーの弾性力のつり合いが、不安
定点に達し、カンチレバーが橈んで試料あるいは記録媒
体に対して探針が吸着してしまう。検出可能なトンネル
電流が発生する距離は大体１ナノメートル以下であるた
め、探針と試料あるいは記録媒体との間に流れるトンネ
ル電流値をモニターしながら、両者を近づけていくと、
最初はトンネル電流は検出されず、距離が数ナノメート
ル程度の距離になると両者の吸着が生じ、急に検出電流
値はある値に達してしまう。この状態から、試料あるい
は記録媒体から探針を遠ざけようとすると、しばらくは
吸着力により両者が吸着したままの状態が続きカンチレ
バーの根元を数十〜数百ナノメートル程度の距離まで遠
ざけたとき、吸着力とカンチレバーの弾性力のつり合い
が、不安定点に達し、カンチレバーの橈みが元にもどっ
て、探針が試料あるいは記録媒体から離れる。

【０００６】両者の間に流れるトンネル電流値をモニタ
ーしていると、検出電流値は、最初ある値を保ち、カン
チレバーの根元をさらに遠ざけ、両者が離れると、急に
トンネル電流は検出されなくなってしまう。したがっ
て、探針と試料あるいは記録媒体との間隔を制御して、
トンネル電流が一定になるように制御しても、両者の間
に吸着が生じて、検出電流値が０とある値の二値をとる
だけになるため、制御が難しかった。

【０００７】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、探針と試料
あるいは探針と記録媒体との間に流れる電流を一定に制
御し、信頼性および記録再生速度が向上された情報記録
再生装置、走査型プローブ顕微鏡、リソグラフィー装置
を実現することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の探針の位置制御
装置は、基板と、基板に対向配置された探針と、基板お
よび探針との間に、これらと接するように配置された第
１の弾性体と、探針を支持する第２の弾性体と、第２の
弾性体に弾性変形を起こさせる駆動手段と、探針と基板
との間に生じる物理量を検出する手段と、検出手段から
の出力をもとに、物理量が一定となるように駆動手段を
制御する制御手段とを有することを特徴とする。

【０００９】この場合、探針と基板が導電性を有し、物
理量検出手段が、探針と基板との間に電圧を印加する手
段と、該探針と該基板との間に流れる電流を検出する手
段とを具備するものとし、物理量は電流であってもよ
い。

【００１０】上記のいずれにおいても、第２の弾性体と
駆動手段を一対の電極に挟持された複数の圧電体からな
る圧電バイモルフ構造体にて構成してもよい。

【００１１】また、第１の弾性体は、探針の表面を覆う
被覆材であってもよい。

【００１２】本発明の情報記録再生装置は、基板と、基
板上に配置された第１の弾性体として機能する記録媒体
と、記録媒体上に接するように配置された探針と、探針
を支持する第２の弾性体と、第２の弾性体に弾性変形を
起こさせる駆動手段と、探針と基板との間に生じる物理
量を検出する手段と、検出手段からの出力をもとに物理
量が一定となるように駆動手段を制御する制御手段とを
有することを特徴とする。

【００１３】本発明の他の形態による情報記録再生装置
は、探針と、探針の表面を覆い第１の弾性体として機能
する被覆材と、被覆材に接するように配置された記録媒
体と、探針を支持する第２の弾性体と、該第２の弾性体
に弾性変形を起こさせる駆動手段と、探針と記録媒体と
の間に生じる物理量を検出する手段と、検出手段からの
出力をもとに物理量が一定となるように駆動手段を制御
する制御手段とを有することを特徴とする。

【００１４】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、基板
と、基板上に配置された第１の弾性体として機能する試
料と、試料上に接するように配置された探針と、探針を
支持する第２の弾性体と、第２の弾性体に弾性変形を起
こさせる駆動手段と、探針と基板との間に生じる物理量
を検出する手段と、検出手段からの出力をもとに物理量
が一定となるように駆動手段を制御する制御手段とを有
することを特徴とする。

【００１５】本発明の他の形態による走査型プローブ顕
微鏡は、探針と、探針の表面を覆い第１の弾性体として
機能する被覆材と、被覆材に接するように配置された試
料と、探針を支持する第２の弾性体と、第２の弾性体に
弾性変形を起こさせる駆動手段と、探針と試料との間に
生じる物理量を検出する手段と、検出手段からの出力を
もとに物理量が一定となるように駆動手段を制御する制
御手段とを有することを特徴とする。

【００１６】本発明のリソグラフィー装置は、基板と、
基板上に配置された第１の弾性体として機能するレジス
トと、レジスト上に接するように配置された探針と、探
針を支持する第２の弾性体と、第２の弾性体に弾性変形
を起こさせる駆動手段と、探針と該基板との間に生じる
物理量を検出する手段と、検出手段からの出力をもとに
物理量が一定となるように駆動手段を制御する制御手段
とを有することを特徴とする。

【００１７】本発明の他の形態によるリソグラフィー装
置は、探針と、探針の表面を覆い第１の弾性体として機
能する被覆材と、被覆材に接するように配置されたレジ
ストと、探針を支持する第２の弾性体と、第２の弾性体
に弾性変形を起こさせる駆動手段と、探針とレジストと
の間に生じる物理量を検出する手段と、検出手段からの
出力をもとに物理量が一定となるように駆動手段を制御
する制御手段とを有することを特徴とする。

【００１８】本発明の探針の位置決め制御方法は、基板
上に第１の弾性体を配置し、該第１の弾性体に接するよ
うに配置され、第２の弾性体で支持される探針の位置決
め制御方法であって、第２の弾性体に弾性変形を起こさ
せ、探針と第１の弾性体との間に作用する力により該第
１の弾性体に弾性変形を生じさせて、該探針と該基板と
の間に生じる物理量が一定になるように、該探針と該基
板との間隔を制御することを特徴とする。

【００１９】この場合、作用する力が斥力であり、第１
の弾性体の弾性変形が圧縮方向の弾性変形であってもよ
い。

【００２０】また、作用する力が引力であり、第１の弾
性体の弾性変形が引張り方向の弾性変形であってもよ
い。

【００２１】

【作用】本発明においては、探針と試料あるいは探針と
記録媒体との間に変形可能な弾性部材が設けられるの
で、これらの間の距離に斥力や引力が働く状態となった
としてもこれらが弾性部材に接触するように維持するこ
とにより吸着あるいは反発することを防止することが可
能となる。

【００２２】

【実施例】

［実施例１］次に、本発明の実施例について図面を参照
して説明する。

【００２３】図１は、本発明の実施例を示す図である。
図中ｚ方向に橈むように弾性体として機能するカンチレ
バー１０１で導電性の探針１０２を支持し、探針１０２
先端を導電性基板１０３上の記録媒体１０４表面に接触
させる。この状態で探針位置制御用の電圧印加回路１０
５により探針１０２−基板ｌ０３間に電圧を印加し、探
針ｌ０２−基板１０３間に流れる電流１０６を電流／電
圧変換回路ｌ０７によって検出する。

【００２４】電流１０６の大きさは、探針１０２と基板
１０３との間隔に依存する。この電流検出信号を対数変
換回路１０８で対数変換後、減算回路１０９にて、設定
値との差を算出する。このとき、設定値は、探針１０２
−基板１０３間に流れる電流に対する所望値、すなわ
ち、探針１０２と基板１０３との間隔の所望値に対応す
る値とする。減算回路１０９からの算出差信号をローパ
スフィルター１１０に通した後、増幅回路１１１で増幅
し、ｚ方向駆動素子駆動信号として、ｚ方向駆動素子１
１２に入力し、ｚ方向駆動素子１１２の駆動を行ない、
探針１０２の位置制御を行なう。

【００２５】この電流の大きさを一定にするための、探
針１０２のｚ方向の位置制御について以下に詳細に説明
する。

【００２６】探針１０２と記録媒体１０４との間には、
接触に伴ない斥力が作用する。この力によりカンチレバ
ー１０１に橈みの弾性変形が生じ、記録媒体１０４に凹
みの弾性変形が生じる。これらの橈み・凹みの弾性変形
の詳細について図２，図３を用いて説明する。

【００２７】図２および図３の左側部分は、探針先端が
記録媒体表面に接触した直後（＝初めの状態）のカンチ
レバー根元の位置、探針先端の位置、記録媒体表面の位
置、導電性基板表面の位置の関係を示す図およびモデル
図である。

【００２８】ここで、カンチレバー根元の位置とは、カ
ンチレバーが探針を支持している部分とは他端のｚ方向
駆動素子に接合されている部分を表わす。カンチレバー
根元の位置と探針と導電性基板表面とは、図３に示すよ
うに、カンチレバーの橈みに関する弾性体及び記録媒体
の凹みに関する弾性体によって相互に連結された状態と
なる。このとき、カンチレバーの橈みに対する弾性定数
をｋL、記録媒体の凹みに対する弾性定数をｋMとする。
この初めの状態の記録媒体の厚さをｔ0とする。この初
めの状態からｚ方向駆動素子ｌｌ２を駆動し、基板に近
づく方向に探針を駆動した状態を図３の右側部分に示
す。このときのｚ方向駆動素子駆動量を△ｚ、d探針先
端の変位を△ｚp、記録媒体の厚さをｔ1とする（ｔ1＝
ｔ0ー△ｚ0）。ｚ方向駆動素子１１２を△ｚd駆動した
とき、探針先端には、記録媒体表面との間に働く力の反
作用を受け、カンチレバーに橈みが生じるため、 ｋL・（△ｚdー△ｚp）＝ｋM△ｚｐ すなわち、 △ｚp＝〔ｋL／（ｋL＋ｋM）〕・△ｚd の関係が成り立つ。上式からわかるように、探針先端の
変位△ｚpはｚ方向駆動素子駆動量△ｚdに比べ ｋL／（ｋL＋ｋM） の割合だけ減少することになる。ここで例えば記録媒体
１０４としてポリイミド、ポリメタクリル酸メチル、ア
ラキジン酸等の有機材料を選び、探針１０２先端の曲率
半径をおおよそ０．１μｍとすると、記録媒体１０４表
面の凹みの弾性定数ｋMはおおよそ１Ｎ／ｍとなる。し
たがって、このとき、カンチレバー１０１として、橈み
の弾性定数ｋLが、例えば、約０．０１Ｎ／ｍのものを
用いると、 ｋL／（ｋL＋ｋM）〜１／１００ となり、探針先端の変位△ｚpは、ｚ方向駆動素子駆動
量△ｚdに比ベ、２桁程度減少することになる。このよ
うな△ｚpと△ｚdの関係は、ｋLとｋMの関係によって決
まり、

【００２９】

【数１】 となる。以上のいずれの場合も△ｚpは△ｚdに直接対応
せず、探針先端と記録媒体表面との間に働く力ｋL・
（△ｚd−△ｚp）により、凹みの弾性定数がｋMである
記録媒体表面が凹む量が決定される。

【００３０】以上のような構成・原理で、探針１０２−
基板ｌ０３間に流れる電流１０６が設定電流値となるよ
うに、ｚ方向駆動素子ｌｌ２を駆動することにより、探
針ｌ０２のｚ方向位置、すなわち、探針１０２と基板１
０３との間隔を制御することができる。このときの探針
１０２と基板１０３との間隔制御は、ｚ方向駆動素子１
１２によって直接的に制御するものではなく、探針ｌ０
２−記録媒体１０４間に作用する力で記録媒体１０４表
面を弾性的に凹ませることによる間接的な制御となる。

【００３１】［実施例２］実施例１では、探針１０２−
記録媒体１０４間に斥力が働いて、記録媒体１０４表面
が凹む揚合の探針１０２のｚ方向位置制御について説明
してきた。

【００３２】実施例２では、探針１０２−記録媒体１０
４間に引力が働く場合の制御について説明する。図４
は、探針１０２−記録媒体１０４間に引力が働く場合の
装置構成の概要を示す図である。

【００３３】探針１０２と記録媒体１０４とが接触状態
にあるとき、両者の間には引力である吸着力が生じてい
る。この吸着力の原因としては、探針表面の原子と記録
媒体表面の原子との間のファンデルワールス力、探針表
面や記録媒体表面に吸着している水など液体の表面張
力、導電性探針１０２−導電性基板１０３間に働く静電
力等がある。したがって、探針１０２と記録媒体１０４
表面が図２に示すような軽い接触状態（＝初めの状態）
から図４に示すような、探針ｌ０２を基板１０３から遠
ざける方向（図中、ｚの負方向）に駆動した状態では、
カンチレバー１０１は記録媒体１０４に引かれる方向に
橈みの弾性変形を生じ、記録媒体１０４も探針１０２に
引かれる方向に出っ張りの弾性変形を生じる。このと
き、電流１０６の生じている部分の記録媒体１０４の厚
さは、図中に示す初めの状態の記録媒体の厚さｔ0から
探針駆動後の記録媒体の厚さｔ2に増大している。この
ような場合の、カンチレバー根元の位置、探針先端の位
置、記録媒体表面の位置、導電性基板表面の位置の関係
を示すモデルを図５に示す。

【００３４】カンチレバー根元の位置と探針と導電性基
板表面とは図５に示すようにカンチレバーの橈みに関す
る弾性体及び記録媒体の出っ張りに関する弾性体によっ
て相互に連結された状態となる。この場合もｚ方向駆動
素子１１２を図中、ｚの負方向に駆動する量を△ｚd、
カンチレバーの橈みの弾性定数をｋL、記録媒体表面の
出っ張りの弾性定数をｋMとすると、探針先端は記録媒
体表面との間に働く吸着力を受けるため、探針先端の変
位△ｚpとの間には斥力の場合と同じ ｋL・（△ｚdー△ｚp）＝ｋM△ｚｐ すなわち、 △ｚp＝〔ｋL／（ｋL＋ｋM）〕・△ｚd の関係が成り立ち、△ｚpは△ｚdに比べ ｋL／（ｋL＋ｋM） の割合だけ減少することになる。

【００３５】以下も斥力の場合と同じく、記録媒体１０
４として、前述と同様の有機材料を選び、探針１０２先
端の曲率半径を約０．１μｍとすると、記録媒体１０４
表面の出っ張りの弾性定数ｋMは、だいたい約１Ｎ／ｍ
となる。したがって、このとき、カンチレバー１０１と
して、橈みの弾性定数ｋLが、例えば約０．０１Ｎ／ｍ
のものを用いると、 ｋL／（ｋL＋ｋM）〜１／１００ となり、探針先端の変位△ｚpは、ｚ方向駆動素子駆動
量△ｚdに比べ、２桁程度減少することになる。このよ
うな△ｚpと△ｚdの関係は、斥力の場合と同様ｋLとｋM
の関係によって決まり、

【００３６】

【数２】 となる。上記のいずれの場合も△ｚpは△ｚdに直接対応
せず、探針先端と記録媒体表面との間に働く力ｋL（△
ｚd−△ｚp）により、出っ張りの弾性定数がｋMである
記録媒体表面が出っ張る量が決定される。

【００３７】以上のような構成・原理で、探針１０２−
基板１０３間に流れる電流１０６が設定電流値となるよ
うに、ｚ方向駆動素子１１２を駆動することにより、探
針１０２のｚ方向位置、すなわち、探針１０２と基板１
０３との間隔を制御することができる。このときの探針
１０２と基板１０３との間隔制御はｚ方向駆動素子ｌｌ
２によって直接的に制御するものではなく、探針１０２
−記録媒体１０４間に作用する力で記録媒体１０４表面
を弾性的に出っ張らせることによる間接的な制御とな
る。

【００３８】［実施例３］次に、カンチレバーを圧電カ
ンチレバーによって構成し、ｚ方向駆動素子の代わり
に、カンチレバー自身をアクチュエーターとし、探針の
ｚ方向駆動を行なう例について図６を用いて説明する。

【００３９】圧電カンチレバー６０１は、圧電体６０２
を２つの電極ａ６０３と電極ｂ６０４とで挟持し、これ
を支持体６０５に取り付けた圧電ユニモルフ構造をとっ
ている。もちろん圧電ユニモルフ構造の代わりに圧電バ
イモルフ構造でもよい。圧電カンチレバー６０１の自由
端側には導電性探針１０２が取り付けられ、探針１０２
から電流取り出し用の配線１１３が引き出されている。

【００４０】探針１０２−基板１０３間に流れる電流１
０６の検出及び、該検出信号の信号処理については、前
述した図ｌの説明と同様である。増幅回路１１１から出
力される信号を圧電カンチレバー駆動信号として、電極
ａ６０３、電極ｂ６０４に印加し、圧電カンチレバーを
橈ませる方向に駆動を行ない、探針１０２の位置制御を
行なう。実際には探針１０２の先端が記録媒体１０４に
接触しているが、接触していない自由な状態を仮定し、
このときの圧電カンチレバー先端の駆動量を△ｚdとす
る。探針１０２の先端が記録媒体１０４の表面に接触し
た状態で、接触していない自由な状態のときに△ｚｄだ
け変位するような駆動信号を圧電カンチレバー６０１に
印加したとき生じる探針１０２先端の変位を△ｚpとす
る。圧電カンチレバー６０１の橈みに対する弾性定数を
ｋL、記録媒体１０４の凹みあるいは出っ張りに対する
弾性定数をｋMとする。探針１０２先端が記録媒体１０
４の表面に接触した状態で、圧電カンチレバー６０１の
駆動を行なうと、探針１０２−記録媒体１０４間に斥力
あるいは引力が生じ、この力により、記録媒体１０４表
面に凹みあるいは出っ張りを生じる。このとき、△ｚ
d，△ｚp，ｋL，ｋMの間には、前記と同様のモデルによ
り同じ、 △ｚp＝〔ｋL／（ｋL＋ｋM）〕・△ｚd の関係が成り立つ。以降の説明は前記と同様であり、探
針１０２と基板ｌ０３との間隔制御は、圧電カンチレバ
ー６０１によって直接的に制御するものではなく、探針
１０２−記録媒体１０４間に作用する力で記録媒体１０
４表面を凹ませるあるいは出っ張らせることによる間接
的な制御となる。

【００４１】［実施例４］次に、記録媒体自体が弾性変
形するのではなく、探針表面を覆う被覆材が弾性体とし
て機能する場合について、図７，図８を用いて説明す
る。

【００４２】探針１０２表面を弾性を有する有機材料等
の絶縁性の被覆材７０１で覆い、被覆材７０１越しに記
録媒体７０２表面に接触させる。図７に示したような軽
い接触状態（＝初めの状態）からｚ方向駆動素子１１２
を駆動し、図８に示すような被覆材７０１−記録媒体７
０２間に斥力あるいは引力が作用する状態とすると、前
記のように記録媒体表面に弾性変形が生じるのではな
く、被覆材７０１に凹みあるいは引っ張りの弾性変形が
生じ、探針１０２と記録媒体７０２の間隔が変化する。

【００４３】図示するように初めの状態の被覆材の厚さ
をｔ0、探針駆動後の弾性変形した被覆材の厚さをｔ1と
すると、探針１０２と記録媒体７０２の間隔はｔ0から
ｔ1に変化することになる。この場合も、被覆材７０１
の凹みあるいは引っ張りの弾性定数をｋMとし、カンチ
レバー１０１の弾性定数をｋL、ｚ方向駆動素子１１２
の駆動量を△ｚd、探針１０２先端の変位を△ｚpとする
と、上記と同様の関係 △ｚp＝〔ｋL／（ｋL＋ｋM）〕・△ｚd が成り立つ。以降の説明は前記と同様であり、探針１０
２と記録媒体７０２との間隔制御はｚ方向駆動素子１１
２によって直接的に制御するものではなく、被覆材７０
１−記録媒体７０２間に作用する力で被覆材７０１自体
に凹みあるいは引っ張りの弾性変形を生じさせることに
よる間接的な制御となる。

【００４４】ここまでの実施例においては、実施例ｌ〜
３における記録媒体１０４の弾性定数ｋM、および実施
例４における被覆材７０１の弾性定数ｋMの値が、それ
ぞれ記録媒体ｌ０４および被覆材７０１の弾性変形量に
よらず一定であるとして、説明してきた。記録媒体１０
４や被覆材７０１の種類によって異なるが、実際のとこ
ろ正確には弾性定数ｋMの値は図９に示すように、弾性
変形量、すなわち、記録媒体あるいは被覆材の弾性変形
量に依存するものとなる。すなわち、探針あるいは被覆
材が記録媒体表面に接触後（図９中ａ）、ｚ方向駆動素
子ｌｌ２あるいは圧電カンチレバー６０１を駆動して、
斥力を増していくと（ａ→ｂ→ｃ）、弾性定数ｋMは記
録媒体あるいは被覆材が塑性変形を起こす点（ｃ）まで
増大する。逆向きに駆動して引力を増していくと（ａ→
ｄ→ｅ）、ｋMは探針先端あるいは被覆材が記録媒体表
面から離れる点（ｅ）まで減少する。以上より、実施例
ｌ〜４に記載したｋMとカンチレバーの橈みに対する弾
性定数ｋL、ｚ方向駆動素子の駆動量あるいは圧電カン
チレバー駆動量△ｚd、探針先端の変位△ｚpとの間の関
係式は、△ｚpの関数であるｋM（△ｚp）を含む ｋL・（△ｚd−△ｚp）＝ｋM（△ｚp）・△ｚp となる。したがって、この式を満たすように△ｚdと△
ｚpの関係が決まる。

【００４５】次に、以上説明してきたような、探針の位
置制御方法を応用した情報記録再生装置、走査型プロー
ブ顕微鏡、リソグラフィー装置について説明する。

【００４６】図１０に本発明を応用した情報記録再生装
置を示す。

【００４７】前述したような記録媒体１０４に対する探
針１０２のｚ方向位置制御を行ないながら、ｘｙ方向駆
動素子制御回路１００４、ｘｙ方向駆動素子ｌ００ｌを
用いて、記録媒体１０４に対する探針１０２のｘｙ方向
走査を行ない、所望の位置において記録再生を行なう。
情報の記録には、記録用電圧印加制御回路１００５から
の信号をもとに、記録用電圧印加回路１００２により探
針ｌ０２−基板１０３間、すなわち記録媒体１０４に情
報記録用電圧が印加される。

【００４８】情報の再生には、上述したような探針位置
制御用の電圧印加回路（図１中ｌ０５）を兼ねる情報再
生用電圧印加回路１００３によって記録媒体１０４に情
報再生用電圧が印加され、探針１０２−基板１０３間を
流れる電流１０６が電流／電圧変換回路１０７で検出さ
れ、対数変換回路１０８を通った後再生信号として、再
生信号処理回路１００６に人力する。ホストコンピュー
タ１００７では、記録媒体１０４に対する探針１０２の
ｘｙ方向位置制御、情報記録用電圧印加、情報再生信号
処理のタイミング制御を行ない、外部からの記録情報／
外部ヘの再生情報のやり取りを行なう。

【００４９】なお、ここにおける記録媒体１０４ヘの電
圧印加による記録の原理、および記録媒体あるいは被覆
材の種類についてはなんら限定されるものではない。

【００５０】図１１に本発明を応用した走査型プローブ
顕微鏡を示す。前述したような記録媒体（図１中１０
４）の代わりに、試料１１０１に対して同様の探針１０
２のｚ方向位置制御を行ないながら、ｘｙ方向駆動素子
制御回路１００４、ｘｙ方向駆動素子１００１を用い
て、試料１１０１に対する探針１０２のｘｙ方向走査を
行ない、試料１１０１表面の各点における電流１０６の
検出を行なう。

【００５１】ローパスフィルタ１１０からの出力を画像
信号処理回路１１０２に人力し、ホストコンピュータ１
００７からの試料１１０１表面に対する探針１０２の位
置に関するタイミング信号をもとに試料１１０１の表面
形状や表面電子状態分布を画像データ信号に変換し、デ
ィスプレイｌｌ０３に表示する。

【００５２】なお、ローパスフィルタ１１０からの出力
信号はｚ方向駆動素子ｌｌ２の駆動量に対応しており、
探針１０２先端のｚ方向変位に直接対応しない。試料ｌ
ｌ０ｌ表面形状や表面電子状態分布に対応するのは探針
１０２先端のｚ方向変位であるから、 △ｚp＝〔ｋL／（ｋL＋ｋM）〕・△ｚd の関係式を用いて、ｚ方向駆動素子１１２の駆動量△ｚ
dを探針１０２先端のｚ方向変位△ｚpに換算する必要が
あり、これも画像信号処理回路１１０２で行なう。

【００５３】図１２に本発明を応用したリソグラフィー
装置を示す。前述したような記録媒体（図１中１０４）
の代わりにレジスト１２０４に対して同様の探針１０２
のｚ方向位置制御を行ないながら、ｘｙ方向駆動素子制
御回路１００４、ｘｙ方向駆動素子１００１を用いて、
レジスト１２０４に対する探針１０２のｘｙ方向走査を
行ない、所望の位置において、リソグラフィーパターン
の描画を行なう。描画には、描画用電圧印加制御回路１
２０３からの信号をもとに描画用電圧印加回路１２０１
により探針１０２−基板１０３間、すなわちレジスト１
２０４に描画用電圧が印加される。ホストコンピュータ
１００７では外部から人力される描画情報に基づき、レ
ジスト１２０４に対する探針１０２のｘｙ方向位置制
御、描画用電圧印加制御のタイミング制御を行なう。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、弾性体として機能
するカンチレバーで支持した探針を別の弾性体として機
能する記録媒体、試料、レジストに接触させ、間に作用
する力を利用して記録媒体、試料、レジストを弾性変形
させることにより、探針と記録媒体、試料、レジストの
基板との間隔を制御し、間に流れる電流を一定に制御す
ることが可能になった。このような探針の位置制御法を
用いることにより、信頼性・記録再生速度の向上した情
報記録再生装置、走査型プローブ顕微鏡、リソグラフィ
ー装置が実現した。

【図面の簡単な説明】

【図１】探針−記録媒体間に斥力が働く場合の探針−位
置制御を示す図である。

【図２】探針先端が記録媒体表面に接触した直後の状態
を示す図である。

【図３】斥力が働く場合のカンチレバー根元の位置、探
針先端の位置、記録媒体表面の位置、導電性基板表面の
位置の関係を示すモデル図である。

【図４】探針−記録媒体間に引力が働く場合の探針−位
置制御を示す図である。

【図５】引力が働く場合のカンチレバー根元の位置、探
針先端の位置、記録媒体表面の位置、導電性基板表面の
位置の関係を示すモデル図である。

【図６】圧電カンチレバーによる探針位置制御を示す図
である。

【図７】被覆材が記録媒体表面に接触した直後を示す図
である。

【図８】探針表面の被覆材の弾性変形による探針位置制
御を示す図である。

【図９】記録媒体（被覆材）の弾性変形量と弾性定数の
関係を示す図である。

【図１０】本発明を応用した情報記録再生装置を示す図
である。

【図１１】本発明を応用した走査型プローブ顕微鏡を示
す図である。

【図１２】本発明を応用したリソグラフィー装置を示す
図である。

【符号の説明】

１０１ カンチレバー １０２ 導電性探針 １０３ 導電性基板 １０４ 記録媒体 １０５ 電圧印加回路 ｌ０６ 電流 ｌ０７ 電流／電圧変換回路 １０８ 対数変換回路 １０９ 減算回路 １１０ ローパスフィルタ １１１ 増幅回路 ｌｌ２ ｚ方向駆動素子 １１３ 配線 ６０１ 圧電カンチレバー ６０２ 圧電体 ６０３ 電極ａ ６０４ 電極ｂ ６０５ 支持体 ７０１ 被覆材 ７０２ 記録媒体 １００１ ｘｙ方向駆動素子 １００２ 情報記録用電圧印加回路 １００３ 情報再生用電圧印加回路 １００４ ｘｙ方向駆動素子制御回路 １００５ 記録用電圧印加制御回路 １００６ 再生信号処理回路 １００７ ホストコンピュータ １１０１ 試料 １１０２ 画像信号処理回路 １１０３ ディスプレイ １２０１ 描画用電圧印加回路 １２０２ 探針位置制御用電圧印加回路 １２０３ 描画用電圧印加制御回路 ｌ２０４ レジスト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 多川 昌宏 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 小口 高弘 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 (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、 前記基板に対向配置された探針と、 前記基板および前記探針との間に、これらと接するよう
   に配置された第１の弾性体と、 前記探針を支持する第２の弾性体と、 前記第２の弾性体に弾性変形を起こさせる駆動手段と、 前記探針と前記基板との間に生じる物理量を検出する手
   段と、 前記検出手段からの出力をもとに、前記物理量が一定と
   なるように前記駆動手段を制御する制御手段とを有する
   ことを特徴とする探針の位置制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の探針の位置制御装置にお
   いて、 前記探針と前記基板が導電性を有し、 前記物理量検出手段が、前記探針と前記基板との間に電
   圧を印加する手段と、該探針と該基板との間に流れる電
   流を検出する手段とを具備し、 前記物理量が電流であることを特徴とする探針の位置制
   御装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の探針の
   位置制御装置において、 前記第２の弾性体と前記駆動手段が一対の電極に挟持さ
   れた複数の圧電体からなる圧電バイモルフ構造体からな
   ることを特徴とする探針の位置制御装置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載
   の探針の位置制御装置において、 前記第１の弾性体が、前記探針の表面を覆う被覆材であ
   ることを特徴とする探針の位置制御装置。
5. 【請求項５】 基板と、 前記基板上に配置された第１の弾性体として機能する記
   録媒体と、 前記記録媒体上に接するように配置された探針と、 前記探針を支持する第２の弾性体と、 前記第２の弾性体に弾性変形を起こさせる駆動手段と、 前記探針と前記基板との間に生じる物理量を検出する手
   段と、 前記検出手段からの出力をもとに前記物理量が一定とな
   るように前記駆動手段を制御する制御手段とを有するこ
   とを特徴とする情報記録再生装置。
6. 【請求項６】 探針と、 前記探針の表面を覆い第１の弾性体として機能する被覆
   材と、 前記被覆材に接するように配置された記録媒体と、 前記探針を支持する第２の弾性体と、該第２の弾性体に
   弾性変形を起こさせる駆動手段と、 前記探針と前記記録媒体との間に生じる物理量を検出す
   る手段と、 前記検出手段からの出力をもとに前記物理量が一定とな
   るように前記駆動手段を制御する制御手段とを有するこ
   とを特徴とする情報記録再生装置。
7. 【請求項７】 基板と、 前記基板上に配置された第１の弾性体として機能する試
   料と、 前記試料上に接するように配置された探針と、 前記探針を支持する第２の弾性体と、 前記第２の弾性体に弾性変形を起こさせる駆動手段と、 前記探針と前記基板との間に生じる物理量を検出する手
   段と、 前記検出手段からの出力をもとに前記物理量が一定とな
   るように前記駆動手段を制御する制御手段とを有するこ
   とを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
8. 【請求項８】 探針と、 前記探針の表面を覆い第１の弾性体として機能する被覆
   材と、 前記被覆材に接するように配置された試料と、 前記探針を支持する第２の弾性体と、 前記第２の弾性体に弾性変形を起こさせる駆動手段と、 前記探針と前記試料との間に生じる物理量を検出する手
   段と、 前記検出手段からの出力をもとに前記物理量が一定とな
   るように前記駆動手段を制御する制御手段とを有するこ
   とを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
9. 【請求項９】 基板と、 前記基板上に配置された第１の弾性体として機能するレ
   ジストと、 前記レジスト上に接するように配置された探針と、 前記探針を支持する第２の弾性体と、 前記第２の弾性体に弾性変形を起こさせる駆動手段と、 前記探針と該基板との間に生じる物理量を検出する手段
   と、 前記検出手段からの出力をもとに前記物理量が一定とな
   るように前記駆動手段を制御する制御手段とを有するこ
   とを特徴とするリソグラフィー装置。
10. 【請求項１０】探針と、 前記探針の表面を覆い第１の弾性体として機能する被覆
    材と、 前記被覆材に接するように配置されたレジストと、 前記探針を支持する第２の弾性体と、 前記第２の弾性体に弾性変形を起こさせる駆動手段と、 前記探針と前記レジストとの間に生じる物理量を検出す
    る手段と、 前記検出手段からの出力をもとに前記物理量が一定とな
    るように前記駆動手段を制御する制御手段とを有するこ
    とを特徴とするリソグラフィー装置。
11. 【請求項１１】 基板上に第１の弾性体を配置し、該第
    １の弾性体に接するように配置され、第２の弾性体で支
    持される探針の位置決め制御方法であって、 前記第２の弾性体に弾性変形を起こさせ、前記探針と前
    記第１の弾性体との間に作用する力により該第１の弾性
    体に弾性変形を生じさせて、該探針と該基板との間に生
    じる物理量が一定になるように、該探針と該基板との間
    隔を制御することを特徴とする探針の位置制御方法。
12. 【請求項１２】 請求項１１記載の探針の位置制御方法
    において、 前記作用する力が斥力であり、前記第１の弾性体の弾性
    変形が圧縮方向の弾性変形であることを特徴とする探針
    の位置制御方法。
13. 【請求項１３】 請求項１１記載の探針の位置制御方法
    において、 前記作用する力が引力であり、前記第１の弾性体の弾性
    変形が引張り方向の弾性変形であることを特徴とする探
    針の位置制御方法。