JPH11102545A

JPH11102545A - 情報処理装置

Info

Publication number: JPH11102545A
Application number: JP28140597A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Shito; 俊一紫藤; Takayuki Yagi; 隆行八木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 1999-04-13

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】複数のプローブを配置した平面と記録媒体表面
との２平面を平行に制御するに際して、簡単な構造によ
り、プローブ平面と記録媒体表面との２平面の平行を高
精度に保持可能な情報処理装置。【解決手段】記録媒体１０２に対して探針を走査し、物
理的相互作用により情報の書込みと読出しを行う複数の
プローブ１０１が平面内に２次元的に配置され、情報の
記録再生時プローブ平面と記録媒体表面との２平面を平
行に制御する位置制御手段を備え、位置制御手段が、ピ
エゾ抵抗体を備えたカンチレバー構造のプローブと、ピ
エゾ抵抗体の抵抗値の抵抗測定手段１０７と、この抵抗
値によりプローブと記録媒体間の位置を制御するアクチ
ュエータと、プローブと記録媒体を同時照射するレーザ
１１０とを有し、レーザ照射により変化する抵抗値を抵
抗測定手段により検出しプローブ平面と記録媒体表面と
の２平面を平行に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、探針と試料を両者
間に電圧を印加し、接近させることによって生じる電気
現象を利用した情報の記録再生装置に係り、特に、複数
のプローブが平面内に２次元的に配置され、情報の記録
再生の際にプローブ平面と記録媒体表面との２平面を平
行に制御するための位置制御手段を備えた情報処理装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、探針と試料とを接近させ、その時
に生じる物理現象（トンネル現象、原子間力等）を利用
して、物質表面及び表面近傍の電子構造を直接観察でき
る走査型プローブ顕微鏡（以下ＳＰＭと略す）が開発さ
れ、単結晶、非晶質を問わず様々な物理量の実空間像を
高い分解能で測定できるようになっている。産業分野に
おいては、近年、ＳＰＭの原子あるいは分子サイズの高
分解能を有する原理に着目し、特開昭６３−１６１５５
２号公報および特開昭６３−１６１５５３号公報に開示
されているように、媒体に記録層を用いることによる情
報記録再生装置への応用、実用化が精力的に進められて
いる。そして上記のような情報記録再生装置への応用に
際しては、その転送レートの向上のために、複数プロー
ブの並列処理（マルチ化）が進んでいる。また、そのた
めのプローブ作製プロセスも、従来の半導体プロセス等
を用いて検討されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような記録再生
システムを構築する場合、例えば、２００Ｍｂｐｓ程度
の転送速度を得るためには、１本当たり１００ｋｂｐｓ
のプローブを用いたとしても２０００本のプローブが必
要になってくる。２０００本のプローブは例えば同一基
板上に半導体プロセスを用いて作製される。しかしなが
ら、すべてのプローブが媒体と相互作用を起こすことが
できる距離に合わせるには、媒体表面とプローブ基板の
距離制御が必要不可欠である。そのためには、例えばプ
ローブ基板上にプローブ基板と記録媒体との距離を測定
するための測定機構を設け、その距離をフィードバック
制御によって一定に保つことによって実現できる。とこ
ろで、そのような距離測定を複数点で同時に行う場合
に、従来から用いられている光てこ方式のＡＦＭでは、
光学的な検出系を複数個構成することが必要となり、系
全体が複雑かつ大きなものとなっていたため、情報記録
再生装置も大きくなってしまう上、作製も困難であると
いう点等に問題があった。

【０００４】そこで、本発明は、上記従来のものにおけ
る課題を解決し、複数のプローブが配置された平面と記
録媒体表面との２平面を平行に制御するに際して、簡単
な構造によって、プローブ平面と記録媒体表面との２平
面の平行を高精度に保つことが可能な情報処理装置を提
供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、情報処理装置をつぎのように構成したこと
を特徴としている。すなわち、本発明の情報処理装置
は、記録媒体に対して探針を走査し、その物理的相互作
用により情報の書き込みと読み出しを行なう複数のプロ
ーブが平面内に２次元的に配置され、情報の記録再生の
際にプローブ平面と記録媒体表面との２平面を平行に制
御するための位置制御手段を備えた情報処理装置であっ
て、前記位置制御手段が、ピエゾ抵抗体を備えたカンチ
レバー構造のプローブと、該ピエゾ抵抗体の抵抗値を測
定する抵抗測定手段と、前記ピエゾ抵抗体の抵抗値によ
って前記プローブと前記記録媒体間の位置を制御するア
クチュエータと、前記プローブと前記記録媒体を同時照
射するレーザとを有し、該レーザの照射によって変化す
る前記ピエゾ抵抗体の抵抗値を前記抵抗測定手段によっ
て検出して前記プローブ平面と前記記録媒体表面との２
平面を平行に制御することを特徴としている。また、本
発明の情報処理装置は、前記位置制御手段におけるプロ
ーブが、少なくとも３本の位置検出プローブからなり、
該３本の位置検出プローブが２次元的に配置されたプロ
ーブ平面内において同一直線上にない位置に配置されて
いることを特徴としている。また、本発明の情報処理装
置は、前記情報の書き込みがプローブと記録媒体との間
に電気的なバイアスを印加する手段により行われること
を特徴としている。また、本発明の情報処理装置は、前
記物理的相互作用が電流であることを特徴としている。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明は、上記したとおり、ピエ
ゾ抵抗体を用い、レーザの照射によって変化する前記ピ
エゾ抵抗体の抵抗値を前記抵抗測定手段によって検出し
て、前記プローブ平面と前記記録媒体表面との２平面を
平行に制御するように構成することにより、従来の光て
こや光干渉による変位検出よりも構造を簡単にすること
ができ、特に、２次元的に配置された３本以上の位置検
出プローブを、該プローブが配置された平面内において
それらを同一直線上にない位置に配置する構成を採るこ
とにより、プローブ平面と記録媒体表面との２平面の平
行を高精度に保つことが可能となる。

【０００７】

【実施例】以下に、本発明の実施例を説明する。［実施例１］図１は、本発明の実施例１における位置決
め装置の構成を示すものである。１０１はピエゾ抵抗を
用いた変位系を備えた変位検出プローブで片持ち梁構造
をしている。構造の詳細は後述する。このプローブの電
気抵抗値の変化は接続された抵抗測定部１０７によって
測定される。後述するがこの測定値は媒体基板１０２と
プローブとの距離を表しているため、その値を用いて後
段の制御部１０６は接近制御部１０８の動作を制御す
る。接近制御部１０８はアクチュエータ（本実施例の場
合にはプローブ側に積層型圧電アクチュエータを用い
た）を持っており、媒体基板１０２とプローブの距離を
実際にアクチュエータを駆動させることによって決めて
いる。本実施例では制御方法としてはコンベンショナル
なＰＩＤ制御を用いた。また、プローブ１０１にはピエ
ゾ抵抗体内部のキャリア密度を上昇させるために、レー
ザ１１０によって光が照射されている。本実施例では波
長として６３０ｎｍの半導体レーザを用いた。ステージ
１０３は、走査信号生成部１０５から出る走査信号をア
ンプ１０４を通してステージのアクチュエータ（本実施
例の場合には積層型圧電アクチュエータを用いた）に駆
動信号として印加することによって走査される。走査信
号生成部１０５は制御部１０６によってその掃引幅設
定、掃引速度設定や指定場所への位置決め制御等がされ
ている。

【０００８】図２は、図１の変位検出プローブ１０１の
構造を示すものである。プローブ１０１は片持ち梁で先
端に探針２０１が付いている。このプローブはｎタイプ
のＳｉ基板にｐタイプのピエゾ抵抗２０４を形成しレバ
ーにしたもので、その構造は下図に示すようになってい
る。このプローブの作製方法については特開平５−１９
６４５８号公報に開示されているＳＯＩ基板を用いたプ
ロセスと同様のものを用いて形成した。２０３が基板及
び片持ち梁アーム、２０４がピエゾ抵抗体、２０１は探
針、２０５は絶縁体保護層、２０２は金属配線パターン
である。Ｌは片持ち梁の実効的な長さ、Ｗは実効的な幅
の１／２、Ｈはレバーの厚さを示している。この大きさ
によってレバーの機械特性（弾性定数や共振周波数）が
変化すると共に、ピエゾ抵抗の大きさにも影響を与え
る。本実施例で使用したプローブはＷ＝２０μｍ、Ｌ＝
５０μｍ、Ｈ＝２μｍで、ピエゾ抵抗体の厚さ＝０．２
μｍ、応力が働かない場合の抵抗値Ｒ_init＝１４ｋΩ
（プローブ間ばらつき０．０１％）であった。また、探
針の高さは２μｍで、レバー全体の共振周波数はフリー
撓みの１次のモードで１２０ｋＨｚであった。このよう
なプローブを用いて変位を抵抗で測定する場合には、一
般的にブリッジ回路を用いる。それは図８に示すような
もので、測定したい抵抗値（Ｒｓ）の変化をＡ点とＢ点
の電位差の変化によって測定しようというものである。
Ａ・Ｂ点の間の電位差は後段の差動増幅器によって必要
な倍率まで増幅されて検出されるが、この際、十分な倍
率を得るためには初期状態（プローブが抵抗変化を起こ
していない状態）においてＡ・Ｂ点の間の電位差がゼロ
であることが望ましい。実際の測定の場合には図３のよ
うに抵抗変化を測定する抵抗体をブリッジに挿入して行
う。

【０００９】つぎに、このようなプローブを用いて位置
検出を行う原理を図４を用いて示す。抵抗体は熱や光に
よってその抵抗値を変化させるのが一般的である。光に
よった場合には、光が当たることによってピエゾ抵抗体
内部のキャリア密度の上昇が起こるために、抵抗値は減
少する。また、温度の上昇によっては抵抗体の物質によ
ってその特性が異なる。金属抵抗等の場合は温度の上昇
によって抵抗値は上昇する。これは、温度の上昇によっ
て格子振動がより激しくなり、電流である電子の走行を
妨害するタイプである。一方で半導体等の場合には温度
の上昇によってキャリアである電荷の量が増加するため
に電流が流れやすくなる熱活性タイプがある。本実施例
で用いるプローブの抵抗体はＰ型半導体であるために後
者の熱活性の現象が支配的に起こるものと考えられる。
すなわち、プローブの温度上昇によって、ピエゾ抵抗体
の抵抗値は小さくなる方向に変化を起こす。

【００１０】本実施例のような構成にすることによって
プローブにレーザ光が照射され、プローブのピエゾ抵抗
体は光励起や温度上昇に伴う熱励起等によってキャリア
密度が上昇し、抵抗が低下する。しかしながら、図４に
示すように、照射している光がコヒーレントなレーザ光
であるために、光は媒体基板とプローブにおいて反射を
起こし、プローブと基板間に定在波を形成する。すなわ
ち、光強度が面に垂直方向に定常的な分布を示す。した
がって、このようなところにピエゾ抵抗プローブを挿入
した場合は図にあるとおり、媒体基板との距離に応じ
て、すなわち光強度に応じて、抵抗値が変化することが
わかる。

【００１１】実際にプローブを媒体に接近させた場合の
抵抗値変化を図５に示す。横軸であるプローブ位置はグ
ラフ右に行くほどプローブに接近する方向である。抵抗
値は距離変化に応じて波状に変化している。この波の波
長は定在波の繰り返し長と等しく、レーザ光の波長λ
（６７０ｎｍ）の半分の長さ（３３５ｎｍ）になってい
る。また、プローブ位置を媒体に近づけていくと距離Ｌ
₀で大きく変化する。この点は、プローブの先端に配置
されている探針が媒体に接触してレバーが撓んだことに
より、大きな抵抗変化を生じたためである。また、Ｌ₀
よりも小さい位置で、抵抗値が波打ちながら徐々に増加
している原因は、プローブと媒体が近づくにつれて両者
の間に大気分子を媒介とした熱のやりとりが起こったこ
とによるものである。接近によって媒体に熱を奪われた
プローブは温度降下を引き起こし、結果的にはピエゾ抵
抗がより大きくなる方向に変化していく。

【００１２】次にこの信号変化から位置の測定を行う。
まず、図５上図のＬ₀を検出し、次にその位置から波の
個数を数えてλ／２の単位で位置計測が可能である。た
とえば、接触位置Ｌ₀から離れる方向に山谷の番号を図
５の上図のように１、２、３、・・Ｎ、Ｎ＋１、Ｎ＋
２、・・と付けると、Ｎ番目の山（もしくは谷）の位置
はプローブがＬ₀から測って（Ｎ−１）λ／２〜Ｎλ／
２プラス探針部の高さ（本実施例の場合は２μｍ）の距
離にあることがわかる。本実施例では山谷の探索に図５
の下図に示すように抵抗の位置による微分値を用いて行
なった。微分値が０になる点を探し、それをカウントす
ることによって位置の測定がλ／２（本実施例において
は３３５ｎｍ）の精度で可能となった。しかしながら、
この測定において微分値が０になる点をカウントするこ
とは特に重要ではなく、微分値のある特定の値の点や極
大点等を数えてもなんら本発明に実質的な影響を与えな
い。

【００１３】［実施例２］実施例２においては、実施例
１で用いた構成を用いて、位置制御を行った。まず実施
例１におけると同様に、プローブと媒体の位置を設定す
る。すなわちλ／２を単位として、設定したい距離を山
谷のカウント数で合わせる。次に、図１の制御部１０６
によって抵抗値の微分値が絶えず０になるように接近制
御部１０８を駆動し、ＰＩＤ制御によってプローブ媒体
間の距離を制御した。本実施例ではカウント数を１０に
設定して距離を決定し（３．０１５μｍ〜３．３５０μ
ｍの間）、その位置に距離を固定した。その精度は、例
えばレーザ光による干渉によりプローブの変位が測定で
きる別な系を用意して測定した場合、変動は１ｎｍ以下
となっており、高い精度で位置固定が可能であることが
わかった。また、本実施例ではフィードバックの基準位
置を抵抗値の微分値が０になる点としたが、この設定値
自体には特に意味はなく、ある適当な値、もしくは極大
値としてもよいし、更に抵抗値の２階微分の値にしても
良い。

【００１４】［実施例３］実施例３は、本発明をメモリ
システムに応用したものである。プローブ基板としては
図６に示すようなものを用いた。プローブ基板６０１上
には本発明で特徴的な位置検出用プローブ６０２と記録
再生用プローブ６０３とが配置されている。記録媒体基
板はこのプローブ基板と対向して設定される。図７は位
置検出用プローブと記録再生用プローブとの関係を示し
たものである。７０３がプローブ基板に対向して設定さ
れた媒体基板で７０１が位置検出用プローブ、７０２が
記録再生用プローブである。また位置検出用プローブに
はレーザ光７０４が照射されている。探針の高さ等を調
整することで２基板を接近させた時のプローブの媒体に
対する接触順が調整可能である。

【００１５】本実施例では図７に示すような関係を用い
ている。すなわち、両基板が近づいてくると、まず図７
の（ｂ）に示すように記録再生プローブが媒体に接し、
次に更に押し込むと位置検出プローブの探針が接触す
る。記録再生は特開昭６３−１６１５５２号公報および
特開昭６３−１６１５５３号公報に開示されているよう
な方法によって行った。記録再生プローブ７０２は探針
が導電性を持っており、探針は外部検出回路に電気的に
接続されている。この探針を通して媒体にバイアスを印
加し、また電流値を検出するように配線されている。記
録媒体には同じく特開昭６３−１６１５５２号公報また
は特開昭６３−１６１５５３号公報に記載の共役π電子
系を持つ有機化合物をラングミュア−ブロジェット法に
よって成膜した６単分子層の有機超薄膜（ＬＢ膜）を用
いた。記録は、上述した様な電流検出プローブに時系列
で順々にパルス電圧を印加する方法で行なった。記録の
ための印加波形は波高値３Ｖの三角波を用いた。再生に
は基板側に２ＶのＤＣバイアスを印加して、電流を測定
する方法によって行なった。なお、ビットの記録再生は
媒体の面方向に平行な掃引を行ないながら、媒体上の所
望の位置に記録再生プローブを持っていき、ビットが記
録再生できるようになっている。

【００１６】次に、プローブ基板と媒体基板を平行に保
つ手順について説明する。実施例１とほぼ同様に位置測
定を行うが、実施例１の場合と異なり位置検出用プロー
ブを接触させるまで接近させず、基準点には近傍の記録
再生プローブの接触点を用いる。すなわち、媒体基板に
あらかじめ電圧を印加しておき（読み出しバイアス）、
近傍の記録再生プローブに電流が流れた瞬間を位置Ｌ₀
としてそこから抵抗値波形の波の数をカウントする。カ
ウント方法は実施例１と同様である。また次に実施例２
に示したものと全く同様な制御方法によって、記録再生
プローブの接触点からの押し込み量をフィードバック制
御することが可能となる。上記の方法によって１つの位
置検出プローブと媒体基板の距離制御が可能となった。
本実施例の場合はこのような位置検出プローブ３本をプ
ローブ基板上に同一直線上にないように配置し、その位
置検出プローブの位置に接近用アクチュエータを設置し
て、基板上の３点で距離制御を行い平行を保持した。

【００１７】結果として、アクチュエータのドリフトや
システムの寄生振動等により両面が非平行状態になるこ
とを防ぐことができ、すべての記録再生プローブを媒体
基板に安定に接触させておくことが可能となり、記録再
生時のプローブの非接触状態が回避できた。具体的に
は、初期化時のみに平行にセットし平行制御をしない場
合は〜０．０１であったものが、本発明の制御を行った
場合は〜０．００１になり、およそ１０倍のエラーレー
トの向上が得られた。最後に、本実施例では、レーザ光
を外部レーザによって３プローブに照射したが、本発明
の場合はコヒーレントな光を照射するのみでよい（光の
検出系は不必要）ため、実際にプロセス上で集積化・高
密度化を行う場合には面発光レーザ等を用いて同一基板
上に構成することも十分可能である。また、実質上光の
干渉を計測しているために、光の波長を変化させること
によって精度の向上等が図れる。

【００１８】

【発明の効果】本発明は、以上のように、ピエゾ抵抗体
を備えたカンチレバー構造のプローブを備え、レーザの
照射によって変化する前記ピエゾ抵抗体の抵抗値を前記
抵抗測定手段によって検出して、前記プローブ平面と前
記記録媒体表面との２平面を平行に制御するように構成
することにより、従来の光てこや光干渉による変位検出
よりも構造を簡単にすることができ、特に、２次元的に
配置された３本以上の位置検出プローブを、該プローブ
が配置された平面内においてそれらを同一直線上にない
位置に配置する構成を採ることにより、プローブ平面と
記録媒体表面との２平面の平行を高精度に保つことが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における位置測定及び位置制
御装置の構成の該略図。

【図２】図１の変位検出プローブの構造を示す図。

【図３】抵抗測定回路の該略図。

【図４】プローブ、媒体基板及びレーザ光の関係を示す
図。

【図５】検出される抵抗波形を示す図。

【図６】情報処理装置に用いるマルチプローブ基板の概
略図。

【図７】位置検出プローブと記録再生プローブの関係を
示す図。

【図８】ブリッジ回路による試料抵抗の測定を説明する
図。

【符号の説明】

１０１：変位検出プローブ１０２：媒体基板１０３：ステージ１０４：アンプ１０５：走査信号生成部１０６：制御部１０７：抵抗測定部１０８：接近制御部１１０：レーザ２０１：探針２０２：金属配線パターン２０３：基板及び片持ち梁アーム２０４：ピエゾ抵抗体２０５：絶縁体保護層６０１：プローブ基板６０２：位置検出用プローブ６０３：記録再生用プローブ７０１：位置検出用プローブ７０２：記録再生用プローブ７０３：媒体基板７０４：レーザ光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】記録媒体に対して探針を走査し、その物理
的相互作用により情報の書き込みと読み出しを行なう複
数のプローブが平面内に２次元的に配置され、情報の記
録再生の際にプローブ平面と記録媒体表面との２平面を
平行に制御するための位置制御手段を備えた情報処理装
置であって、前記位置制御手段が、ピエゾ抵抗体を備えたカンチレバ
ー構造のプローブと、該ピエゾ抵抗体の抵抗値を測定す
る抵抗測定手段と、前記ピエゾ抵抗体の抵抗値によって
前記プローブと前記記録媒体間の位置を制御するアクチ
ュエータと、前記プローブと前記記録媒体を同時照射す
るレーザとを有し、該レーザの照射によって変化する前
記ピエゾ抵抗体の抵抗値を前記抵抗測定手段によって検
出して前記プローブ平面と前記記録媒体表面との２平面
を平行に制御することを特徴とする情報処理装置。
【請求項２】前記位置制御手段におけるプローブが、少
なくとも３本の位置検出プローブからなり、該３本の位
置検出プローブが２次元的に配置されたプローブ平面内
において同一直線上にない位置に配置されていることを
特徴とする請求項１に記載の情報処理装置。
【請求項３】前記情報処理装置において、前記情報の書
き込みがプローブと記録媒体との間に電気的なバイアス
を印加する手段により行われることを特徴とする請求項
１または請求項２に記載の情報処理装置。
【請求項４】前記情報処理装置において、前記物理的相
互作用が電流であることを特徴とする請求項１〜請求項
３のいずれか１項に記載の情報処理装置。