JPH1038508A - 位置検出装置及び位置決め装置 - Google Patents
位置検出装置及び位置決め装置Info
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- JPH1038508A JPH1038508A JP19168796A JP19168796A JPH1038508A JP H1038508 A JPH1038508 A JP H1038508A JP 19168796 A JP19168796 A JP 19168796A JP 19168796 A JP19168796 A JP 19168796A JP H1038508 A JPH1038508 A JP H1038508A
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- bridge
- stage
- position detecting
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- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/003—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring position, not involving coordinate determination
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- G—PHYSICS
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- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/02—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
- G01B7/023—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring distance between sensor and object
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
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- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
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- Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【課題】装置全体が大型化することなくプローブとステ
ージとの相対的な位置関係をnmのオーダで正確に制御
できる位置検出装置及び位置決め装置を提供する。 【解決手段】位置検出装置は、平面を持つステージ1上
に形成された4個の平行平板電極と、このステージ面と
平行に設定されたプローブ面上の対向する位置に形成さ
れた他の4個の平行平板電極からなる4組の空気コンデ
ンサを備えている。この4組のコンデンサにより交流ブ
リッジを形成し不平衡電圧をモニターする。この時ステ
ージ面とプローブ面の相対移動により、前記4組の空気
コンデンサの容量が変化し不平衡電圧も変化する。この
不平衡電圧をモニターすることにより、ステージ面とプ
ローブ面の相対移動量が正確に把握できる。位置決め装
置は、前記位置検出装置と、検出された位置情報を記憶
する記憶手段、検出された位置情報を基にステージ面又
はプローブ面を駆動する駆動制御手段からなる。
ージとの相対的な位置関係をnmのオーダで正確に制御
できる位置検出装置及び位置決め装置を提供する。 【解決手段】位置検出装置は、平面を持つステージ1上
に形成された4個の平行平板電極と、このステージ面と
平行に設定されたプローブ面上の対向する位置に形成さ
れた他の4個の平行平板電極からなる4組の空気コンデ
ンサを備えている。この4組のコンデンサにより交流ブ
リッジを形成し不平衡電圧をモニターする。この時ステ
ージ面とプローブ面の相対移動により、前記4組の空気
コンデンサの容量が変化し不平衡電圧も変化する。この
不平衡電圧をモニターすることにより、ステージ面とプ
ローブ面の相対移動量が正確に把握できる。位置決め装
置は、前記位置検出装置と、検出された位置情報を記憶
する記憶手段、検出された位置情報を基にステージ面又
はプローブ面を駆動する駆動制御手段からなる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、走査型プローブ顕微
鏡、メディア移動型メモリ装置、マニピュレータ、さら
に広くは評価装置、情報処理装置、表示装置等におけプ
ローブ対象(試料や記録メディア等)の移動機構の高度
の制御が必要な、高精度の位置決め機構に好適な位置決
め装置に係わり、特に半導体チップ上の集積化に適した
位置決め装置に関する。
鏡、メディア移動型メモリ装置、マニピュレータ、さら
に広くは評価装置、情報処理装置、表示装置等におけプ
ローブ対象(試料や記録メディア等)の移動機構の高度
の制御が必要な、高精度の位置決め機構に好適な位置決
め装置に係わり、特に半導体チップ上の集積化に適した
位置決め装置に関する。
【0002】
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡では、プローブ先
端の針と試料表面との間の物理量(両者間の静電容量や
接触圧、両者間を流れるトンネル電流)を測定すること
で針の先端と試料表面との間の距離を測定している。こ
の走査型プローブ顕微鏡では、試料表面上の数nmのオ
ーダの極めて狭小な領域内の前記物理量の検出が可能で
ある。また、前記顕微鏡技術を応用したメディア移動型
メモリ装置では、直径30nm程度の狭小領域への1ビ
ットの記録が可能であり、また前記顕微鏡技術を応用し
たマニピュレータでは数十nm程度のサイズの加工が可
能である。
端の針と試料表面との間の物理量(両者間の静電容量や
接触圧、両者間を流れるトンネル電流)を測定すること
で針の先端と試料表面との間の距離を測定している。こ
の走査型プローブ顕微鏡では、試料表面上の数nmのオ
ーダの極めて狭小な領域内の前記物理量の検出が可能で
ある。また、前記顕微鏡技術を応用したメディア移動型
メモリ装置では、直径30nm程度の狭小領域への1ビ
ットの記録が可能であり、また前記顕微鏡技術を応用し
たマニピュレータでは数十nm程度のサイズの加工が可
能である。
【0003】ところで、前記顕微鏡、あるいは前記メモ
リ装置やマニピュレータでは、プローブ対象(本発明で
は、プローブ対象を移動させるので、プローブ対象を
「ステージ」と称する)に対する位置決めの目的位置か
らのずれを、前記1ビットの記録に要する領域や、加工
サイズよりも小さく抑える必要がある。従来、この種の
位置決めに必要な位置検出装置には内野研二著:「圧電
/電歪アクチュエータ」、森北出版、pp94−10
2、1990年に記載されるように種々の方法が用いら
れてきた。しかしながら、それらの多くは形状が大き
く、また集積回路への応用はできなかった。その中で
も、最も動作原理が単純な静電容量式の位置検出装置を
図14に示す。図14に示した代表的な静電容量式位置
検出装置では、4辺がコンデンサによって構成される交
流ブリッジの1辺のコンデンサを平行平板電極によって
構成し、図15の様に平行平板電極の一方をステージ
に、他方を基台側に固定し、両者の相対的な位置関係の
変化を平行平板電極の間隔の変化によって生じた静電容
量の変化量として検出する方式である。交流ブリッジの
不平衡出力電圧は、平行平板電極の長さに対して、電極
間隔が十分に狭小の場合には、間隔の変化量に比例して
出力するので、この不平衡出力電圧を同期検波回路によ
って検波した後に、低域通過フィルタによって交流ブリ
ッジの励振信号や同期検波によって発生した高調波成分
を除去することで、ステージの変位量に比例した直流信
号を得ることができる。しかしながら、この様な方式の
静電容量式位置検出装置においては、平行平板電極をス
テージの平面に対して直角に対向させる必要があるばか
りか、位置検出感度を向上するためには対向面積を拡大
する必要があるなど、これらの位置決め装置を用いたプ
ローブ装置が大型化すると言った問題があった。
リ装置やマニピュレータでは、プローブ対象(本発明で
は、プローブ対象を移動させるので、プローブ対象を
「ステージ」と称する)に対する位置決めの目的位置か
らのずれを、前記1ビットの記録に要する領域や、加工
サイズよりも小さく抑える必要がある。従来、この種の
位置決めに必要な位置検出装置には内野研二著:「圧電
/電歪アクチュエータ」、森北出版、pp94−10
2、1990年に記載されるように種々の方法が用いら
れてきた。しかしながら、それらの多くは形状が大き
く、また集積回路への応用はできなかった。その中で
も、最も動作原理が単純な静電容量式の位置検出装置を
図14に示す。図14に示した代表的な静電容量式位置
検出装置では、4辺がコンデンサによって構成される交
流ブリッジの1辺のコンデンサを平行平板電極によって
構成し、図15の様に平行平板電極の一方をステージ
に、他方を基台側に固定し、両者の相対的な位置関係の
変化を平行平板電極の間隔の変化によって生じた静電容
量の変化量として検出する方式である。交流ブリッジの
不平衡出力電圧は、平行平板電極の長さに対して、電極
間隔が十分に狭小の場合には、間隔の変化量に比例して
出力するので、この不平衡出力電圧を同期検波回路によ
って検波した後に、低域通過フィルタによって交流ブリ
ッジの励振信号や同期検波によって発生した高調波成分
を除去することで、ステージの変位量に比例した直流信
号を得ることができる。しかしながら、この様な方式の
静電容量式位置検出装置においては、平行平板電極をス
テージの平面に対して直角に対向させる必要があるばか
りか、位置検出感度を向上するためには対向面積を拡大
する必要があるなど、これらの位置決め装置を用いたプ
ローブ装置が大型化すると言った問題があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、プロ
ーブとステージとの相対的な位置の制御を行う種々のプ
ローブ装置において、装置全体が大型化することなく半
導体チップ上に形成することができるために、プローブ
とステージとの相対的な位置関係を正確に制御できる位
置決め装置を提供することである。また、本発明の目的
は、前記位置決め装置を有するメディア移動型メモリ装
置を提供することである。
ーブとステージとの相対的な位置の制御を行う種々のプ
ローブ装置において、装置全体が大型化することなく半
導体チップ上に形成することができるために、プローブ
とステージとの相対的な位置関係を正確に制御できる位
置決め装置を提供することである。また、本発明の目的
は、前記位置決め装置を有するメディア移動型メモリ装
置を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の位置決め装置
は、平面を持つステージと、このステージを前記平面
(以下、「ステージ面」と言う)にほぼ平行な方向に移
動させるアクチュエータと、位置検出装置とを具備して
いる。また、本発明を利用したプローブ装置は、この位
置検出装置を少なくとも1組有することができる。これ
ら位置検出装置は、前記ステージ面上に一方の平行平板
電極を備え、このステージ面と平行に設定されたプロー
ブ面上の対向する位置に他方の平行平板電極を備える構
造を有する。そして両者の平行平板電極の重なり合う面
積がステージ面と平行な方向にずれることによって生ず
る静電容量の変化量を検出することで相対的な位置関係
を検出する手段を備える。更に前記位置検出手段の検出
結果に基づいて前記アクチュエータを駆動する位置制御
手段と、前記ステージの位置を記憶する位置記憶部と、
を有している。
は、平面を持つステージと、このステージを前記平面
(以下、「ステージ面」と言う)にほぼ平行な方向に移
動させるアクチュエータと、位置検出装置とを具備して
いる。また、本発明を利用したプローブ装置は、この位
置検出装置を少なくとも1組有することができる。これ
ら位置検出装置は、前記ステージ面上に一方の平行平板
電極を備え、このステージ面と平行に設定されたプロー
ブ面上の対向する位置に他方の平行平板電極を備える構
造を有する。そして両者の平行平板電極の重なり合う面
積がステージ面と平行な方向にずれることによって生ず
る静電容量の変化量を検出することで相対的な位置関係
を検出する手段を備える。更に前記位置検出手段の検出
結果に基づいて前記アクチュエータを駆動する位置制御
手段と、前記ステージの位置を記憶する位置記憶部と、
を有している。
【0006】前記アクチュエータとしては、圧電動作
型、静電動作型、電磁動作型あるいは磁歪動作型のもの
が用いられる。本発明の位置検出装置を2組有するとき
は、アクチュエータは、ステージをx,yの2方向に移
動できるように構成される。この場合には、ステージ
は、通常四角形状のプレート状とされる。この位置決め
装置が、メディア移動型メモリ装置のメディア移動機構
として使用されるときは、ステージは記録メディアを有
する。前記位置検出手段は、ステージ面上の4組の平行
平板コンデンサから成り、その各々が交流ブリッジの一
辺を構成している。前記4組のコンデンサの静電容量は
ステージ位置の移動に対して交流ブリッジが平衡状態か
ら不平衡状態に変化する様に対向面積が変化する。この
ため、従来型の静電容量式の位置検出回路に比較して小
型化が可能であるばかりか、感度の向上が可能である。
更に集積回路の配線技術を用いて半導体チップ上に平行
平板電極を形成できると共に検出回路部分も同時に集積
できる。
型、静電動作型、電磁動作型あるいは磁歪動作型のもの
が用いられる。本発明の位置検出装置を2組有するとき
は、アクチュエータは、ステージをx,yの2方向に移
動できるように構成される。この場合には、ステージ
は、通常四角形状のプレート状とされる。この位置決め
装置が、メディア移動型メモリ装置のメディア移動機構
として使用されるときは、ステージは記録メディアを有
する。前記位置検出手段は、ステージ面上の4組の平行
平板コンデンサから成り、その各々が交流ブリッジの一
辺を構成している。前記4組のコンデンサの静電容量は
ステージ位置の移動に対して交流ブリッジが平衡状態か
ら不平衡状態に変化する様に対向面積が変化する。この
ため、従来型の静電容量式の位置検出回路に比較して小
型化が可能であるばかりか、感度の向上が可能である。
更に集積回路の配線技術を用いて半導体チップ上に平行
平板電極を形成できると共に検出回路部分も同時に集積
できる。
【0007】前記の4組の平行平板電極をステージ面と
プローブ面上に形成し、両者の電極が接触しないように
微小な距離を保ったままで平行移動する構造の交流ブリ
ッジを形成した場合に、平行平板コンデンサの静電容量
は空気を誘電体とするが、一方で平行平板の基板側には
電極を絶縁するための層間絶縁膜を介してシリコンチッ
プとの間に寄生静電容量を生ずる。この寄生静電容量
は、交流ブリッジを構成する平行平板コンデンサの静電
容量よりも大きく、かつ並列にほぼ一定の値が入るため
に、位置変化に対して生ずるブリッジの不平衡電圧の感
度を著しく低下させる。そこで、本発明では、寄生容量
の影響によるブリッジ感度の低下を防ぐために、前記層
間絶縁膜の下部に新たにガード電極を備えて、常にガー
ド電極の電位が層間絶縁膜を介して上面に形成された平
行平板電極の電位と一致させることで、寄生静電容量の
影響を電気的に除去できる手段を有する。このため、2
枚の平行な集積回路上に平行平板電極を形成した場合に
於いても、寄生容量の影響を全く受ける事無く、あたか
も中空に平行平板電極を保持したかの如く交流ブリッジ
を動作させることができるために、位置変化に対する検
出感度を大幅に向上できる。
プローブ面上に形成し、両者の電極が接触しないように
微小な距離を保ったままで平行移動する構造の交流ブリ
ッジを形成した場合に、平行平板コンデンサの静電容量
は空気を誘電体とするが、一方で平行平板の基板側には
電極を絶縁するための層間絶縁膜を介してシリコンチッ
プとの間に寄生静電容量を生ずる。この寄生静電容量
は、交流ブリッジを構成する平行平板コンデンサの静電
容量よりも大きく、かつ並列にほぼ一定の値が入るため
に、位置変化に対して生ずるブリッジの不平衡電圧の感
度を著しく低下させる。そこで、本発明では、寄生容量
の影響によるブリッジ感度の低下を防ぐために、前記層
間絶縁膜の下部に新たにガード電極を備えて、常にガー
ド電極の電位が層間絶縁膜を介して上面に形成された平
行平板電極の電位と一致させることで、寄生静電容量の
影響を電気的に除去できる手段を有する。このため、2
枚の平行な集積回路上に平行平板電極を形成した場合に
於いても、寄生容量の影響を全く受ける事無く、あたか
も中空に平行平板電極を保持したかの如く交流ブリッジ
を動作させることができるために、位置変化に対する検
出感度を大幅に向上できる。
【0008】
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。図1にお
いて、1はステージチップ、2はプローブチップ、3は
平行平板電極、4はサスペンション、5はスペーサであ
る。メディア移動型メモリ装置においてはプローブチッ
プ2と対向する、ステージチップ1の表面に記録メディ
アが形成されており、プローブチップ2の表面に形成さ
れたプローブを介してメディア表面へのビットの書込み
及び読出しが行われる。ステージチップ1はサスペンシ
ョン4によって保持されており、ステージ面と平行な方
向にアクチュエータの力でプローブチップ2とスペーサ
5を介して数μm以下の狭小なギャップ保持したままで
x軸方向、y軸方向に自由に平行移動できる。ステージ
チップ1とプローブチップ2の表面には、平行平板電極
3が形成されており、この図の例では、電極3aと3c
及び電極3bと3dが互いに空気を誘電体としたコンデ
ンサを形成する。
いて、1はステージチップ、2はプローブチップ、3は
平行平板電極、4はサスペンション、5はスペーサであ
る。メディア移動型メモリ装置においてはプローブチッ
プ2と対向する、ステージチップ1の表面に記録メディ
アが形成されており、プローブチップ2の表面に形成さ
れたプローブを介してメディア表面へのビットの書込み
及び読出しが行われる。ステージチップ1はサスペンシ
ョン4によって保持されており、ステージ面と平行な方
向にアクチュエータの力でプローブチップ2とスペーサ
5を介して数μm以下の狭小なギャップ保持したままで
x軸方向、y軸方向に自由に平行移動できる。ステージ
チップ1とプローブチップ2の表面には、平行平板電極
3が形成されており、この図の例では、電極3aと3c
及び電極3bと3dが互いに空気を誘電体としたコンデ
ンサを形成する。
【0009】図2は図1におけるステージチップ1とプ
ローブチップ2の表面に形成された4組の平行平板電極
3の位置関係の詳細を説明した図である。図2(a)は
プローブチップ2の表面に形成された電極の形状と配置
を示し、同様に図2(b)はステージチップ1の表面に
形成された電極の形状と配置を示し、ステージチップ1
とプローブチップ2の相対移動量が零の状態を示してい
る。図において電極3aと3c,3bと3d,3eと3
h及び3fと3gがそれぞれ対を成しており、ステージ
チップ1はこの図の例では右側に移動する。ここで、電
極3a、3e、3c,3hの移動方向の長さはL0であ
り、電極3b,3f,3d,3gの移動方向の長さは2
L0である。更に電極3bと3fの位置はステージチッ
プ1の右端からL0の位置だけずれた位置に形成されて
いる。
ローブチップ2の表面に形成された4組の平行平板電極
3の位置関係の詳細を説明した図である。図2(a)は
プローブチップ2の表面に形成された電極の形状と配置
を示し、同様に図2(b)はステージチップ1の表面に
形成された電極の形状と配置を示し、ステージチップ1
とプローブチップ2の相対移動量が零の状態を示してい
る。図において電極3aと3c,3bと3d,3eと3
h及び3fと3gがそれぞれ対を成しており、ステージ
チップ1はこの図の例では右側に移動する。ここで、電
極3a、3e、3c,3hの移動方向の長さはL0であ
り、電極3b,3f,3d,3gの移動方向の長さは2
L0である。更に電極3bと3fの位置はステージチッ
プ1の右端からL0の位置だけずれた位置に形成されて
いる。
【0010】図2(a)及び(b)における電極は図3
に示す様な関係で配線されており、交流ブリッジを形成
してる。ブリッジの不平衡電圧は差動増幅器6を介して
検出される。図3の構成において図2(a)及び(b)
の零位置における4組の電極の重なり合う面積は L0
X W(但しWは平行平板電極の幅)であり、ブリッジ
が平衡状態にあることを示す。従ってこの時差動増幅器
6に出力は現れない。図2(c)はステージ1が右側に
L0/2の距離だけずれた場合の電極の重なり合う状態
を示し、この時、左端の電極の重なり合う面積はL0/
2 X W,右端の電極は3L0/2 X Wであるから、
この時、図4に示す様に不平衡電圧はブリッジの励振振
幅Viの半分のVi/2が出力される。図2(d)はス
テージがL0の距離だけ右側にずれた場合を示し、左端
電極の重なり部分は零となり、右端電極は2L0重なり
合うことから、ブリッジが完全に不平衡状態になり、差
動増幅器6の出力には励振振幅Viに等しい不平衡電圧
が生ずる。よって、図4に示す様に差動増幅器6の出力
にはステージ1の位置に比例した不平衡電圧が得られる
こととなり、不平衡電圧からステージ1の位置を知るこ
とができる。
に示す様な関係で配線されており、交流ブリッジを形成
してる。ブリッジの不平衡電圧は差動増幅器6を介して
検出される。図3の構成において図2(a)及び(b)
の零位置における4組の電極の重なり合う面積は L0
X W(但しWは平行平板電極の幅)であり、ブリッジ
が平衡状態にあることを示す。従ってこの時差動増幅器
6に出力は現れない。図2(c)はステージ1が右側に
L0/2の距離だけずれた場合の電極の重なり合う状態
を示し、この時、左端の電極の重なり合う面積はL0/
2 X W,右端の電極は3L0/2 X Wであるから、
この時、図4に示す様に不平衡電圧はブリッジの励振振
幅Viの半分のVi/2が出力される。図2(d)はス
テージがL0の距離だけ右側にずれた場合を示し、左端
電極の重なり部分は零となり、右端電極は2L0重なり
合うことから、ブリッジが完全に不平衡状態になり、差
動増幅器6の出力には励振振幅Viに等しい不平衡電圧
が生ずる。よって、図4に示す様に差動増幅器6の出力
にはステージ1の位置に比例した不平衡電圧が得られる
こととなり、不平衡電圧からステージ1の位置を知るこ
とができる。
【0011】図2の様な構成の位置検出装置をステージ
チップ1及びプローブチップ2に更に1組設けること
で、x、yの2軸方向の位置を知ることができる。ま
た、本実施例に述べた位置検出装置は、半導体チップ表
面に容易に形成できることから、小型化が要求されるメ
ディア移動型メモリの位置検出手段として好適であるこ
とは言うまでもない。更に図5を用いて図2の構成の電
極を半導体チップ表面に形成した場合の問題点を説明す
る。図5において、電極3a及び3cは各々ステージチ
ップ1及びプローブチップ2の表面に形成された平行平
板電極を示す。ここで、それぞれの電極は層間絶縁膜7
a及び7cによってそれぞれのチップ本体から絶縁され
ている。本実施例の位置検出動作に係わる静電容量は、
図中の8で示した平行平板電極の重なり合う部分に生じ
たものであるが、実際の半導体チップにおいては9aか
ら9dに示す様な、電極とチップ本体間との間に生ずる
寄生容量を伴う。
チップ1及びプローブチップ2に更に1組設けること
で、x、yの2軸方向の位置を知ることができる。ま
た、本実施例に述べた位置検出装置は、半導体チップ表
面に容易に形成できることから、小型化が要求されるメ
ディア移動型メモリの位置検出手段として好適であるこ
とは言うまでもない。更に図5を用いて図2の構成の電
極を半導体チップ表面に形成した場合の問題点を説明す
る。図5において、電極3a及び3cは各々ステージチ
ップ1及びプローブチップ2の表面に形成された平行平
板電極を示す。ここで、それぞれの電極は層間絶縁膜7
a及び7cによってそれぞれのチップ本体から絶縁され
ている。本実施例の位置検出動作に係わる静電容量は、
図中の8で示した平行平板電極の重なり合う部分に生じ
たものであるが、実際の半導体チップにおいては9aか
ら9dに示す様な、電極とチップ本体間との間に生ずる
寄生容量を伴う。
【0012】図6は、図5に示した平行平板電極間の静
電容量と、前記寄生容量との関係を計算した一例を示
す。計算例では、電極3a及び3cの厚みを0.6μ
m、シリコン酸化膜による層間絶縁膜7a及び7cの厚
みを0.6μm、更に電極の空隙の間隔を1.0μmと
して電極の重なり長さを30μmとした場合を示す。図
からもわかる様に、電極間の静電容量は電極の重なり面
積に比例して変化し、最大で230fF/m程度である
が、それよりも更に大きい2pF/m程度の寄生容量が
生ずることがわかる。前記の寄生容量の値をCpとすれ
ば、図7に示す様にブリッジの出力端に2Cpの寄生容
量として現わすことができる。このため、距離の変化に
よって生ずるブリッジの容量変化比率が低下することと
なり、この時のブリッジの距離の変化に対する不平衡出
力電圧は、図8に示す様に1/8程度に低下し、ブリッ
ジ感度の低下は免れられない。
電容量と、前記寄生容量との関係を計算した一例を示
す。計算例では、電極3a及び3cの厚みを0.6μ
m、シリコン酸化膜による層間絶縁膜7a及び7cの厚
みを0.6μm、更に電極の空隙の間隔を1.0μmと
して電極の重なり長さを30μmとした場合を示す。図
からもわかる様に、電極間の静電容量は電極の重なり面
積に比例して変化し、最大で230fF/m程度である
が、それよりも更に大きい2pF/m程度の寄生容量が
生ずることがわかる。前記の寄生容量の値をCpとすれ
ば、図7に示す様にブリッジの出力端に2Cpの寄生容
量として現わすことができる。このため、距離の変化に
よって生ずるブリッジの容量変化比率が低下することと
なり、この時のブリッジの距離の変化に対する不平衡出
力電圧は、図8に示す様に1/8程度に低下し、ブリッ
ジ感度の低下は免れられない。
【0013】図9に前記の寄生容量によるブリッジ感度
の低下を避けることの可能な電極構造を示す。図におい
てガード電極10a及び10cと、バッフア増幅器11
a及び11cとを新たに加えている。層間絶縁膜7a及
び7cを介して電極3aとガード電極10a、また電極
3cとガード電極10cとの間には寄生容量を生ずる
が、それぞれの電極の電圧をバッファ増幅器11a及び
11cを介してガード電極10a及び10cに加え、両
者の電位差を恒に零に保つことによって等価的に寄生容
量の影響を受けないブリッジを実現することが可能であ
る。この結果、ブリッジの出力は電極3aと3cとのギ
ャップに生ずる静電容量の変化のみに依存することにな
る。
の低下を避けることの可能な電極構造を示す。図におい
てガード電極10a及び10cと、バッフア増幅器11
a及び11cとを新たに加えている。層間絶縁膜7a及
び7cを介して電極3aとガード電極10a、また電極
3cとガード電極10cとの間には寄生容量を生ずる
が、それぞれの電極の電圧をバッファ増幅器11a及び
11cを介してガード電極10a及び10cに加え、両
者の電位差を恒に零に保つことによって等価的に寄生容
量の影響を受けないブリッジを実現することが可能であ
る。この結果、ブリッジの出力は電極3aと3cとのギ
ャップに生ずる静電容量の変化のみに依存することにな
る。
【0014】図10に前記ガード電極を備えた位置検出
装置の電極形状と配置の一例を示す。図に於いて、
(a)はプローブチップ2の面に形成された電極を示
し、(b)はステージチップ1の面に形成された電極を
示しており、前者の電極が後者の電極に数μm以下の間
隔を保持した状態で重なり合い、交流ブリッジを構成し
ている。図に於いて、12はブリッジを励振するための
正弦波を入力する端子であり、13はブリッジの不平衡
出力を検出するための出力端子であり、通常は差動増幅
器が接続される。A−A’及びB−B’部分に相当する
チップの断面図を示す。電極3の基板側には層間絶縁膜
7があり更にその下面にはガード電極10がある。ガー
ド電極10の電位は図9と同様にチップの外部に設けた
バッファ増幅器に接続され、恒に上部に位置する電極と
等しい電位が加えられる。
装置の電極形状と配置の一例を示す。図に於いて、
(a)はプローブチップ2の面に形成された電極を示
し、(b)はステージチップ1の面に形成された電極を
示しており、前者の電極が後者の電極に数μm以下の間
隔を保持した状態で重なり合い、交流ブリッジを構成し
ている。図に於いて、12はブリッジを励振するための
正弦波を入力する端子であり、13はブリッジの不平衡
出力を検出するための出力端子であり、通常は差動増幅
器が接続される。A−A’及びB−B’部分に相当する
チップの断面図を示す。電極3の基板側には層間絶縁膜
7があり更にその下面にはガード電極10がある。ガー
ド電極10の電位は図9と同様にチップの外部に設けた
バッファ増幅器に接続され、恒に上部に位置する電極と
等しい電位が加えられる。
【0015】図10に示す電極の重なり合った状態は、
両者の電極の相対移動量が零の状態に相当し、4組の電
極が重なり合う面積は何れも等しい。この図におけるス
テージチップ1は、紙面に向かって下方に移動する。図
2と同様に電極3a、3c,3e、3hの幅をL0とす
れば、電極3b,3d,3f,3gの幅は2L0であ
り、ステージチップの位置が零の位置から下方にL0移
動した位置においてブリッジは完全に不平衡状態とな
る。従って、検出可能な距離を拡大したい場合にはL0
を長くすれば良い。実施例では、半導体チップの表面に
位置検出装置を備える場合の例を示すが、本実施例は、
ガラスエポキシ、ポリイミド、テフロンガラス基板等の
電子機器の配線に用いられる多層の配線層を有する基板
表面に、同様な電極を形成することによって適用できる
ことは言うまでもない。
両者の電極の相対移動量が零の状態に相当し、4組の電
極が重なり合う面積は何れも等しい。この図におけるス
テージチップ1は、紙面に向かって下方に移動する。図
2と同様に電極3a、3c,3e、3hの幅をL0とす
れば、電極3b,3d,3f,3gの幅は2L0であ
り、ステージチップの位置が零の位置から下方にL0移
動した位置においてブリッジは完全に不平衡状態とな
る。従って、検出可能な距離を拡大したい場合にはL0
を長くすれば良い。実施例では、半導体チップの表面に
位置検出装置を備える場合の例を示すが、本実施例は、
ガラスエポキシ、ポリイミド、テフロンガラス基板等の
電子機器の配線に用いられる多層の配線層を有する基板
表面に、同様な電極を形成することによって適用できる
ことは言うまでもない。
【0016】次に図11に本発明の位置検出装置によっ
て検出した交流振幅情報を直流信号に変換するために好
適な信号処理回路を示す。図に於いて、14はタイミン
グ発生器、15と16はサンプル/ホールド回路、17
は割算器であり、4個の可変コンデンサは前述のガード
電極付きの交流ブリッジ回路を示す。ブリッジの出力に
は図7で説明した電極3と層間絶縁膜7とを介してガー
ド電極10との間に生ずる寄生容量2Cpが付加された
状態を示している。ここで、ブリッジの出力信号はバッ
ファ増幅器11を介してガード電極に加えられた状態を
示し、この結果、電気的に寄生容量2Cpの影響を取り
除いている。バッファ増幅器11には、高い入力インピ
ーダンスを有する増幅器を用いることで、ブリッジの不
平衡出力信号端子のインピーダンスの低下を防ぐことが
可能であり、不平衡出力信号の低下を防ぐ役割も果た
す。バッファ増幅器11を通過した不平衡出力信号は、
励振周波数において十分に高い同相除去比を有する差動
増幅6を通過し、その出力にはステージの位置に比例し
た振幅の励振信号が得られる。
て検出した交流振幅情報を直流信号に変換するために好
適な信号処理回路を示す。図に於いて、14はタイミン
グ発生器、15と16はサンプル/ホールド回路、17
は割算器であり、4個の可変コンデンサは前述のガード
電極付きの交流ブリッジ回路を示す。ブリッジの出力に
は図7で説明した電極3と層間絶縁膜7とを介してガー
ド電極10との間に生ずる寄生容量2Cpが付加された
状態を示している。ここで、ブリッジの出力信号はバッ
ファ増幅器11を介してガード電極に加えられた状態を
示し、この結果、電気的に寄生容量2Cpの影響を取り
除いている。バッファ増幅器11には、高い入力インピ
ーダンスを有する増幅器を用いることで、ブリッジの不
平衡出力信号端子のインピーダンスの低下を防ぐことが
可能であり、不平衡出力信号の低下を防ぐ役割も果た
す。バッファ増幅器11を通過した不平衡出力信号は、
励振周波数において十分に高い同相除去比を有する差動
増幅6を通過し、その出力にはステージの位置に比例し
た振幅の励振信号が得られる。
【0017】図12に図11の信号処理回路の主要部分
の波形を示す。図12において図(a)はブリッジの励
振信号波形を示し、正弦波のピーク値はVipである。
図(b)には差動増幅器6の出力波形を示し、電極の位
置に対応してピーク値Vbpの不平衡電圧が生じてい
る。次にサンプル/ホールド回路15と16によって各
々励振信号と不平衡電圧のピーク値をサンプリングす
る。図12(c)はこのために励振周波数に同期して発
生したサンプリングパルスの波形を示す。図(d)及び
図(e)に前記のサンプリングパルスによってサンプリ
ングされたサンプル/ホールド回路15及び16の出力
波形を示す。ともに正弦波のピーク値VipとVbpに
対応する直流電圧に変換されている。さて、一般に交流
ブリッジを用いる静電容量式位置検出装置においては、
励振振幅の変動が直接的にブリッジ出力に変動を及ぼす
ために、位置検出精度の上限は励振振幅をどこまで安定
化出来るかに係わってくる。このため、励振信号発生器
には信号振幅を検出する振幅検出手段を備え、その出力
が一定値に成るように発生器の出力振幅を帰還手段を介
してフィードバックするいわゆる自動利得調整器等の振
幅安定化手段を備えるのが一般的である。しかしなが
ら、これらの回路を平行平板電極と共に半導体チップ上
に集積する場合を考えると、集積回路自身の発熱に伴う
温度上昇によって、振幅検出手段の検出振幅にドリフト
を生じ易く、その結果、長期間に渡って位置検出電圧を
一定値に保持することが困難となる。
の波形を示す。図12において図(a)はブリッジの励
振信号波形を示し、正弦波のピーク値はVipである。
図(b)には差動増幅器6の出力波形を示し、電極の位
置に対応してピーク値Vbpの不平衡電圧が生じてい
る。次にサンプル/ホールド回路15と16によって各
々励振信号と不平衡電圧のピーク値をサンプリングす
る。図12(c)はこのために励振周波数に同期して発
生したサンプリングパルスの波形を示す。図(d)及び
図(e)に前記のサンプリングパルスによってサンプリ
ングされたサンプル/ホールド回路15及び16の出力
波形を示す。ともに正弦波のピーク値VipとVbpに
対応する直流電圧に変換されている。さて、一般に交流
ブリッジを用いる静電容量式位置検出装置においては、
励振振幅の変動が直接的にブリッジ出力に変動を及ぼす
ために、位置検出精度の上限は励振振幅をどこまで安定
化出来るかに係わってくる。このため、励振信号発生器
には信号振幅を検出する振幅検出手段を備え、その出力
が一定値に成るように発生器の出力振幅を帰還手段を介
してフィードバックするいわゆる自動利得調整器等の振
幅安定化手段を備えるのが一般的である。しかしなが
ら、これらの回路を平行平板電極と共に半導体チップ上
に集積する場合を考えると、集積回路自身の発熱に伴う
温度上昇によって、振幅検出手段の検出振幅にドリフト
を生じ易く、その結果、長期間に渡って位置検出電圧を
一定値に保持することが困難となる。
【0018】図11に示す信号処理回路では、前記の振
幅検出手段のドリフトの影響を除去するために割算器1
7を備えることを特徴としている。即ち割算器17はブ
リッジの不平衡電圧に対応するサンプル/ホールド回路
の出力信号Vbpを割算の分子に、また励振振幅に対応
するVipを分母に入力し、その割算の結果をステージ
の位置に対応する直流信号とするものである。この割算
器17においては、通常、励振振幅Vipは一定値であ
るが、もし仮に振幅Vipがドリフトした場合を考える
と、振幅Vbpも同一の比率でドリフトするために、振
幅VipとVbpの比率はブリッジ電極の位置のみに依
存して一定値となるので、割算器17の出力はドリフト
に依存することなく常に一定値を示し、安定化すること
になる。このため、図11に示す回路を集積化すること
で温度変動の影響を受けにくい位置検出装置を提供でき
る。また、前記割算器17による検出位置安定化手段
と、励振振幅を安定化する従来からの自動利得調整器を
併用することによって、一層の検出位置の安定化を実現
することができることは言うまでもない。このため、特
に長時間に渡って安定した位置検出精度が要求されるメ
ディア移動型メモリ装置の位置検出装置に好適である。
幅検出手段のドリフトの影響を除去するために割算器1
7を備えることを特徴としている。即ち割算器17はブ
リッジの不平衡電圧に対応するサンプル/ホールド回路
の出力信号Vbpを割算の分子に、また励振振幅に対応
するVipを分母に入力し、その割算の結果をステージ
の位置に対応する直流信号とするものである。この割算
器17においては、通常、励振振幅Vipは一定値であ
るが、もし仮に振幅Vipがドリフトした場合を考える
と、振幅Vbpも同一の比率でドリフトするために、振
幅VipとVbpの比率はブリッジ電極の位置のみに依
存して一定値となるので、割算器17の出力はドリフト
に依存することなく常に一定値を示し、安定化すること
になる。このため、図11に示す回路を集積化すること
で温度変動の影響を受けにくい位置検出装置を提供でき
る。また、前記割算器17による検出位置安定化手段
と、励振振幅を安定化する従来からの自動利得調整器を
併用することによって、一層の検出位置の安定化を実現
することができることは言うまでもない。このため、特
に長時間に渡って安定した位置検出精度が要求されるメ
ディア移動型メモリ装置の位置検出装置に好適である。
【0019】以上の信号処理回路は、高精度の位置検出
に好適であるが、それほどの精度を要求されない場合に
は、図13に示す信号処理回路を用いることが出来る。
図において、18は位相シフタ、19は掛算器、20は
低域通過フィルタである。位相シフタ18の入力は、図
11のC点以降の回路に置き換えれば良い。また、同様
に掛算器19の入力C’は図11のC’以降の回路に置
き換えれば良い。位相シフタ18は低域通過フィルタ2
0の出力が最大になる位相に設定することで、最も高い
検出感度を得られるように調整する。
に好適であるが、それほどの精度を要求されない場合に
は、図13に示す信号処理回路を用いることが出来る。
図において、18は位相シフタ、19は掛算器、20は
低域通過フィルタである。位相シフタ18の入力は、図
11のC点以降の回路に置き換えれば良い。また、同様
に掛算器19の入力C’は図11のC’以降の回路に置
き換えれば良い。位相シフタ18は低域通過フィルタ2
0の出力が最大になる位相に設定することで、最も高い
検出感度を得られるように調整する。
【0020】次に本発明における位置検出装置におい
て、更に温度変動に対する検出位置を安定化するために
有効な方法を次に述べる。一般にnmオーダーの位置を
測定する際には、ステージや計測器を構成する構造材料
の熱膨張が問題となるために、測定環境の温度変動を極
力抑える必要がある。しかしながら、メディア移動型メ
モリ装置等の2個の半導体チップから構成される位置決
め装置においては、通電の前後で回路の発熱によって数
十度Cの温度変動が生ずるために、周囲の温度環境を一
定に保っても、熱膨張の影響による位置検出精度の低下
は避けられない。
て、更に温度変動に対する検出位置を安定化するために
有効な方法を次に述べる。一般にnmオーダーの位置を
測定する際には、ステージや計測器を構成する構造材料
の熱膨張が問題となるために、測定環境の温度変動を極
力抑える必要がある。しかしながら、メディア移動型メ
モリ装置等の2個の半導体チップから構成される位置決
め装置においては、通電の前後で回路の発熱によって数
十度Cの温度変動が生ずるために、周囲の温度環境を一
定に保っても、熱膨張の影響による位置検出精度の低下
は避けられない。
【0021】例えば、半導体チップに用いられるシリコ
ンの熱膨張の温度係数は、2.6ppm/度Cであるか
ら、一辺が1cmの正方形のシリコンでできたステージ
が40度Cの温度上昇をした場合のステージの熱膨張は
最大で約1μmになる。メディア移動型メモリ装置の1
ビットの大きさは数十nm程度であるから、前記の様な
熱膨張によって、位置決めが不可能になってしまう。こ
の問題は、ステージチップとプローブチップとの間隔を
2μm以下の狭小に保つことと、前記ギャップの間に熱
伝導率の良好な気体を封入することによって解決でき
る。まず、空気を介した場合でも2μm以下のギャップ
に保つことで、2枚のチップの表面温度の差を1度C以
下に低減できる。この様に狭小のギャップに保持するこ
とは、平行平板電極の静電容量を大きくすることにもつ
ながり、交流ブリッジの励振周波数におけるブリッジ辺
のインピーダンスを、バッファ増幅器の入力インピーダ
ンスに比べて十分に低く保つことにも寄与し、ブリッジ
の感度の低下を防ぐ役割も合わせ持つ。
ンの熱膨張の温度係数は、2.6ppm/度Cであるか
ら、一辺が1cmの正方形のシリコンでできたステージ
が40度Cの温度上昇をした場合のステージの熱膨張は
最大で約1μmになる。メディア移動型メモリ装置の1
ビットの大きさは数十nm程度であるから、前記の様な
熱膨張によって、位置決めが不可能になってしまう。こ
の問題は、ステージチップとプローブチップとの間隔を
2μm以下の狭小に保つことと、前記ギャップの間に熱
伝導率の良好な気体を封入することによって解決でき
る。まず、空気を介した場合でも2μm以下のギャップ
に保つことで、2枚のチップの表面温度の差を1度C以
下に低減できる。この様に狭小のギャップに保持するこ
とは、平行平板電極の静電容量を大きくすることにもつ
ながり、交流ブリッジの励振周波数におけるブリッジ辺
のインピーダンスを、バッファ増幅器の入力インピーダ
ンスに比べて十分に低く保つことにも寄与し、ブリッジ
の感度の低下を防ぐ役割も合わせ持つ。
【0022】更に気体分子がチップ表面に衝突した場合
のエネルギーの吸収率を示す気体の順応係数が小さい気
体をギャップ間に封入することが望ましい。空気の順応
係数は0.9程度であるが、これに対して窒素は0.3
5、ヘリウムは0.04程度であるから空気の代わりに
これらの気体を封入することによって一層、チップ表面
の温度差を少なくすることができる。これらの手法によ
って、例えば両者のチップ表面温度の相対差を0.1度
C以下に低減できるために、上記の一辺が1cmのシリ
コンチップの熱膨張による位置ずれを最大でも2.6n
m程度に低減することが可能になる。従って、メディア
移動型メモリ装置の位置決め精度の向上に特に有効であ
る。
のエネルギーの吸収率を示す気体の順応係数が小さい気
体をギャップ間に封入することが望ましい。空気の順応
係数は0.9程度であるが、これに対して窒素は0.3
5、ヘリウムは0.04程度であるから空気の代わりに
これらの気体を封入することによって一層、チップ表面
の温度差を少なくすることができる。これらの手法によ
って、例えば両者のチップ表面温度の相対差を0.1度
C以下に低減できるために、上記の一辺が1cmのシリ
コンチップの熱膨張による位置ずれを最大でも2.6n
m程度に低減することが可能になる。従って、メディア
移動型メモリ装置の位置決め精度の向上に特に有効であ
る。
【0023】図16に、本発明をメディア移動型メモリ
に適用した場合の1実施例を示す。この図で1はステー
ジチップ、2はプローブチップ、22はプローブ、23
は記録メディアを示している。メディア移動型メモリで
は、プローブ22及び記録メディア23の間で記録書き
込み・読み込みを行なう。3c、3d、3g、及び3h
はプローブチップ2上に取り付けられた電極を示す。ス
テージチップ1にも相対する電極が取り付けられている
が図では省略している。これらの平行平板電極により空
気コンデンサが形成されている。これらの空気コンデン
サを含む位置検出装置はX軸方向、Y軸方向の位置を検
出するために2個取り付けられている。検出された位置
はアクチュエータにフィードバックされ閉ループを形成
している。これにより、X軸方向、Y軸方向の正確な位
置決めが実現できる。
に適用した場合の1実施例を示す。この図で1はステー
ジチップ、2はプローブチップ、22はプローブ、23
は記録メディアを示している。メディア移動型メモリで
は、プローブ22及び記録メディア23の間で記録書き
込み・読み込みを行なう。3c、3d、3g、及び3h
はプローブチップ2上に取り付けられた電極を示す。ス
テージチップ1にも相対する電極が取り付けられている
が図では省略している。これらの平行平板電極により空
気コンデンサが形成されている。これらの空気コンデン
サを含む位置検出装置はX軸方向、Y軸方向の位置を検
出するために2個取り付けられている。検出された位置
はアクチュエータにフィードバックされ閉ループを形成
している。これにより、X軸方向、Y軸方向の正確な位
置決めが実現できる。
【0024】図17に、本発明を走査型トンネル顕微鏡
の粗動ステージに適用した場合の1実施例を示す。1は
ステージチップ、2は基板、3は平行平板電極、4はサ
スペンション、5はスペーサである。走査型トンネル顕
微鏡において、被測定試料はステージチップ1の上に置
かれる。ステージチップ1はサスペンション4によって
保持されており、ステージ面と平行な方向にアクチュエ
ータの力で基板2とスペーサ5を介して数μm以下の狭
小なギャップ保持したままで自由に平行移動できる。ス
テージチップ1と基板2の表面には、平行平板電極3が
形成されており、この図の例では、電極3aと3c及び
電極3bと3dが互いに空気を誘電体としたコンデンサ
を形成する。位置検出装置はメディア移動型メモリと同
様に、X軸方向、Y軸方向の位置を検出するために2個
実施されている。
の粗動ステージに適用した場合の1実施例を示す。1は
ステージチップ、2は基板、3は平行平板電極、4はサ
スペンション、5はスペーサである。走査型トンネル顕
微鏡において、被測定試料はステージチップ1の上に置
かれる。ステージチップ1はサスペンション4によって
保持されており、ステージ面と平行な方向にアクチュエ
ータの力で基板2とスペーサ5を介して数μm以下の狭
小なギャップ保持したままで自由に平行移動できる。ス
テージチップ1と基板2の表面には、平行平板電極3が
形成されており、この図の例では、電極3aと3c及び
電極3bと3dが互いに空気を誘電体としたコンデンサ
を形成する。位置検出装置はメディア移動型メモリと同
様に、X軸方向、Y軸方向の位置を検出するために2個
実施されている。
【0025】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば以下の
ような効果を奏することができる。 (1)制御回路と電極とを半導体チップ上に集積化でき
るので、装置全体が大形化することなく、プローブとス
テージとの相対的な位置制御を正確に行うことができる
位置決め装置を提供することができる。 (2)平行平板電極を半導体チップ上に集積化した場合
に、交流ブリッジの検出感度を低下させる要因となる平
行平板裏面の寄生容量の影響を、ガード電極を設けて常
に平行平板電極の電位と同一に保つことで電気的に除去
できる。 (3)交流ブリッジの不平衡電圧を、交流ブリッジの励
振振幅で割算した値から位置を知ることで、励振振幅の
温度変動の影響を受けにくい位置検出が可能である。 (4)ステージチップとプローブチップとの間の距離を
2μm以下の狭小にすることで、両者のチップ間の温度
差を低減できるために、チップの温度上昇に伴う熱膨張
によって発生する位置検出誤差を低減できる。また、チ
ップの間隙に空気よりも熱伝導効率の高い窒素やヘリウ
ム等の気体を封入することで、より一層チップ間の温度
差を低減できる。
ような効果を奏することができる。 (1)制御回路と電極とを半導体チップ上に集積化でき
るので、装置全体が大形化することなく、プローブとス
テージとの相対的な位置制御を正確に行うことができる
位置決め装置を提供することができる。 (2)平行平板電極を半導体チップ上に集積化した場合
に、交流ブリッジの検出感度を低下させる要因となる平
行平板裏面の寄生容量の影響を、ガード電極を設けて常
に平行平板電極の電位と同一に保つことで電気的に除去
できる。 (3)交流ブリッジの不平衡電圧を、交流ブリッジの励
振振幅で割算した値から位置を知ることで、励振振幅の
温度変動の影響を受けにくい位置検出が可能である。 (4)ステージチップとプローブチップとの間の距離を
2μm以下の狭小にすることで、両者のチップ間の温度
差を低減できるために、チップの温度上昇に伴う熱膨張
によって発生する位置検出誤差を低減できる。また、チ
ップの間隙に空気よりも熱伝導効率の高い窒素やヘリウ
ム等の気体を封入することで、より一層チップ間の温度
差を低減できる。
【図1】 本発明の1実施例の側面図である。
【図2】 図1における平行平板電極の配置を示す立面
図である。
図である。
【図3】 図2の平行平板電極で交流ブリッジを構成し
たときの等価回路である。
たときの等価回路である。
【図4】 図2の構成の電極が移動した場合の交流ブリ
ッジの出力特性を示す図である。
ッジの出力特性を示す図である。
【図5】 集積回路上での平行平板電極に寄生する静電
容量を示す図である。
容量を示す図である。
【図6】 実際の集積回路上における平行平板電極間の
静電容量と、寄生容量を計算した図である。
静電容量と、寄生容量を計算した図である。
【図7】 図3の交流ブリッジに寄生容量を付加した等
価回路である。
価回路である。
【図8】 図7の状態の交流ブリッジの出力特性を示す
図である。
図である。
【図9】 寄生容量の影響を除去するためにガード電極
を設け、平行平板電極の電位とガード電極の電位を同一
にする方法を説明した図である。
を設け、平行平板電極の電位とガード電極の電位を同一
にする方法を説明した図である。
【図10】 ガード電極と平行平板電極の実際の配置例
を示す図である。
を示す図である。
【図11】 割算回路を備えた、温度変動に対する安定
度を向上させた、検出回路を示す図である。
度を向上させた、検出回路を示す図である。
【図12】 図12の検出回路の各部の動作波形を示す
図である。
図である。
【図13】 掛算回路を用いた検出回路を示す図であ
る。
る。
【図14】 従来例の静電容量式位置検出装置の構成を
示す図である。
示す図である。
【図15】 図14に示す従来例の位置検出装置におけ
る電極の配置を示す図である。
る電極の配置を示す図である。
【図16】 本発明をメディア移動型メモリに実施した
例を示す。
例を示す。
【図17】 本発明を走査型トンネル顕微鏡に実施した
例を示す。
例を示す。
1 ステージチップ 2 プローブチップ 3 平行平板電極 4 サスペンション 5 スペーサ 6 差動増幅器 7 層間絶縁膜 8 電極間静電容量 9 寄生静電容量 10 ガード電極 11 バッファ増幅器 12 交流ブリッジ入力端子 13 交流ブリッジ出力端子 14 タイミング発生器 15 サンプル/ホールド回路 16 サンプル/ホールド回路 17 割算器 18 位相シフタ 19 掛算器 20 低域通過フィルタ 21 同期検波回路 22 プローブ 23 記録メディア
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 光親 神奈川県川崎市高津区坂戸3丁目2番2号 ヒューレット・パッカードラボラトリー ズジャパンインク内
Claims (12)
- 【請求項1】第一の平面を有する基板と、前記第一の平
面に平行で狭小な間隔を介して保持される第二の平面を
有する基板との間で、前記第一の平面の表面上に形成さ
れた4個の電極と、前記第二の平面の表面上に形成され
た相対する4個の電極とから形成される4組の平行平板
電極対コンデンサーにより、交流ブリッジの4辺を形成
し、前記第一の平面を有する基板と前記第二の平面を有
する基板との平面に沿った相対移動量に比例して変化す
る前記交流ブリッジの不平衡電圧を測定することで前記
相対移動量を検出することを特徴とする位置検出装置。 - 【請求項2】前記4組の平行平板電極対の基板側に絶縁
層を介して前記平行平板電極の外形よりも広い形状のガ
ード電極を備え、各々の前記平行平板電極の電位を高い
入力インピーダンスを有するバッファ増幅器を介して、
前記平行平板電極と同一の電位を前記ガード電極に印加
できる手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の
位置検出装置。 - 【請求項3】前記交流ブリッジの前記不平衡交流信号の
最大値をサンプリングする最大値保持回路と、前記交流
ブリッジを励振する励振信号の最大値をサンプリングす
る最大値保持回路と、前記交流ブリッジの前記不平衡交
流信号の最大値を前記励振信号の最大値で割算する割算
回路とを備え、前記割算回路の出力信号から前記相対移
動量を知ることを特徴とした請求項1に記載の位置検出
装置。 - 【請求項4】前記交流ブリッジの前記不平衡交流信号と
前記交流ブリッジを励振する前記励振信号とを掛算する
掛算回路と、前記掛算回路の出力信号中の励振信号成分
を除去する低域通過フィルタとを備え、前記低域通過フ
ィルタの出力信号から前記相対移動量を知ることを特徴
とした請求項1に記載の位置検出装置。 - 【請求項5】前記第一の平面と第二の平面との間に、窒
素、ヘリウムのいずれか一つの気体を封入することを特
徴とする請求項1乃至4に記載の位置検出装置。 - 【請求項6】前記気体が窒素であることを特徴とする請
求項5に記載の位置検出装置。 - 【請求項7】請求項1乃至6に記載の位置検出装置を少
なくとも一組有し、前記第一の平面を有する基板を前記
第二の平面に平行に移動させるアクチュエータと、検出
された前記相対移動量に基づいて前記アクチュエータを
駆動する位置制御手段と、前記第一の平面の位置を記憶
する位置記憶手段とを有することを特徴とする位置決め
装置。 - 【請求項8】前記位置検出装置を2組有し、前記平面上
の相異なる方向の前記相対移動量を検出できることを特
徴とする請求項7に記載の位置決め装置。 - 【請求項9】前記第一の平面上に記録メディアを有し、
前記第二の平面上に読みだし・書込み用プローブを有
し、請求項7に記載の位置決め装置を有することを特徴
とするメディア移動型メモリ装置。 - 【請求項10】前記第一の平面と第二の平面との間隔
が、2μm以下の空気層を介して保持されることを特徴
とする請求項9に記載のメディア移動型メモリ装置。 - 【請求項11】請求項1乃至6に記載の位置検出装置が
半導体集積回路化され、前記記録メディア及び前記読み
だし・書込み用プローブと一体化されていることを特徴
とする請求項9に記載のメディア移動型メモリ装置。 - 【請求項12】請求項7に記載の位置決め装置を有する
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
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