DE69030239T2

DE69030239T2 - Methode und Gerät zur Formung einer Sonde

Info

Publication number: DE69030239T2
Application number: DE69030239T
Authority: DE
Inventors: Toshimitsu C O Canon K Kawase; Ryo C O Canon K K Kuroda; Toshihiko C O Canon K Miyazaki; Hiroyasu C O Canon K K Nose; Takahiro C O Canon K K Oguchi; Akihiko C O Canon K K Yamano
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-12-08
Filing date: 1990-12-06
Publication date: 1997-09-18
Anticipated expiration: 2010-12-07
Also published as: US5132533A; EP0431623A2; ES2098240T3; EP0431623B1; EP0431623A3; DE69030239D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbilden einer Sonde einer Informationslese- und/oder -eingabevorrichtung der durch die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 bzw. 6 definierten Art, die aus JP-A-63265102 sowie aus Journal of Microscopy, Bd. 153, Teil 2, Nov. 88, S. 355-361 bekannt ist. Eine solche Informationslese- und/oder -eingabevorrichtung wird beispielsweise bei einer Oberflächenbeobachtungsvorrichtung, wie etwa einem Rastertunnelmikroskop (STM), einer Vorrichtung zum Aufzeichnen/zur Wiedergabe mit hoher Dichte, die zur Aufzeichnung und zum Lesen von Information in atomarer Größenordnung (von einigen Angström) in der Lage ist, einem Kodierer zur Feinpositionierung, bei der Messung von Abmessungen oder Abständen, bei der Positionsmessung für Geschwindigkeitsmessungen, insbesondere bei einer Messung und Steuerung, die ein Auflösungsvermögen in atomarer Größenordnung erfordern o.ä. eingesetzt.
Die jüngere Entwicklung des Rastertunnelmikroskops, das zu einer direkten Beobachtung der elektronischen Struktur der Oberfläche einer Substanz oder in der Nähe der Oberfläche in der Lage ist [G. Binning et al., Helvetica Physica Acta 55, 726 (1982)] hat die Messung tatsächlich räumlicher ("real space") Bilder mit hohem Auflösungsvermögen sowohl in einkristallinen als auch amorphen Substanzen ermöglicht. Für dieses Rastertunnelmikroskop werden Anwendungen in einem weiten Bereich erwartet, da es für verschiedene Materialien einsetzbar ist, Beobachtungen mit niedriger elektrischer Leistung ohne Beschädigungen des Gegenstandes durch den elektrischen Strom erlaubt und nicht nur im Hochvakuum sondern auch in Luft oder Lösung funktioniert.
Das Rastertunnelmikroskop beruht auf einem zwischen einer Metallsonde und einem leitfähigen Material, wenn diese in einem kleinen Abstand von etwa 1 nm gebracht werden, von einer Spannung dazwischen erzeugten Strom. Dieser Strom ist sehr empfindlich für Änderungen im Abstand beider Teile, und die Oberflächeninformation des realen Raumes kann nur durch Bewegen der Sonde in abtastender Bewegung derart, daß der Strom oder der mittlere Abstand beider Teile konstant gehalten wird, erhalten werden. In diesem Fall kann ein Auflösungsvermögen von 1 Å oder weniger in Richtung längs der Oberfläche erhalten werden.
Im herkömmlichen Rastertunnelmikroskop wird ein Verfahren zum Nachweis des zwischen der Oberfläche des leitfähigen Teils und dem zugespitzten Ende der leitfähigen Nachweissonde (Sondenelektrode) fließenden Stromes benutzt, in dem eine elektrische Rückkopplungs-Steuerung des Abstandes zwischen der Oberfläche des Gegenstandes und der Nachweissonde realisiert wird, um einen konstanten Tunnelstrom aufrechtzuerhalten, und die Struktur der Atome und Moleküle bildartig dargestellt wird. Das Auflösungsvermögen des Rastertunnelmikroskops ist durch den Krümmungsradius des zugespitzten Endes der Sonde bestimmt. Zur Erhöhung des Auflösungsvermögens muß daher das zugespitzte Ende der Sonde spitzer gemacht werden.
Andererseits hat die Aufzeichnungskapazität von Datenaufzeichnungsvorrichtungen sich Jahr für Jahr vergrößert, und diese Tendenz erfordert eine Verringerung der Größe der Aufzeichnungseinheit und eine Erhöhung der Dichte. Beispielsweise ist bei einer Audio-CD, bei der eine optische Aufzeichnung eingesetzt wird, die Aufzeichnungseinheit auf eine Fläche von etwa 1 µm² verringert worden.
Das oben erwähnte Prinzip des Rastertunnelmikroskops kann zur Realisierung einer Informationsaufzeichnung mit einer Aufzeichnungseinheit von 0,001 µm² oder kleiner benutzt werden, indem ein Material mit einem Speichereffekt für die Spannungs- Strom-Umschaltung als Aufzeichnungsmedium eingesetzt wird, etwa ein dünner Film aus einer organischen Verbindung mit einem π-Elektronensystem oder einem Chalcogenid eine Vorrichtung zur hochdichten Informationsaufzeichnung und -wiedergabe mit einem solchen Aufzeichnungsmedium ist allgemein mit einem Nonius-Steuermechanismus oder einem x-y-Probentisch zum Halten einer Sondenelektrode in kleinem Abstand von einigen nm gegenüber der Aufzeichnungsschicht und zum Bewegen der Sondenelektrode und der Aufzeichnungsschicht relativ zueinander ausgerüstet, um die Aufzeichnung und Wiedergabe in beliebiger Position in der Aufzeichnungsschicht vorzunehmen. Zur Erreichung einer hochdichten Aufzeichnung und Wiedergabe wird nicht nur ein Aufzeichnungsmedium mit einer kleinen Aufzeichnungseinheit, sondern auch eine Sondenelektrode benötigt, deren zugespitztes Ende, welches das Auflösungsvermögen in Richtung der Aufzeichnungsschicht bestimmt, auf atomarem oder molekularem Niveau zugespitzt ist.
In einem Beobachtungssystem, wie dem Rastertunnelmikroskop zur Beobachtung einer Probe mit einem Auflösungsvermögen in atomarer Größenordnung oder in einer Aufzeichnungs-/-wiedergabevorrichtung zur hochdichten Informationsaufzeichnung bzw. Wiedergabe in atomarer Größenordnung, die das Prinzip des Rastertunnelmikroskops benutzt, muß daher das zugespitzte Ende der Sondenelektrode sehr spitz gemacht werden.
Aus diesem Grund besteht die Sondenelektrode üblicherweise aus einem Platin- oder Wolframstab, dessen Ende durch mechanisches Polieren oder elektrolytisches Polieren in konischer Form zugespitzt ist.
Beim tatsächlichen Betrieb einer solchen Oberflächenbeobachtungsvorrichtung oder Informationsaufzeichnungs-/-wiedergabevorrichtung kann die zugespitzte Sondenelektrode jedoch in Kontakt mit dem Informations-tragenden Element, wie etwa der beobachteten Probe oder dem Aufzeichnungsmedium, kommen, da diese in einem sehr geringen Abstand von einigen Nanometern gehalten sind. Weiterhin kann beim Betrieb in Luft das zugespitzte Ende der Sondenelektrode durch Staub in der Luft verunreinigt werden. In diesem Fall verliert die Sondenelektrode ihr Auflösungsvermögen auf atomarem oder molekularem Niveau, und es gibt einen Verlust im Auflösungsvermögen oder der Aufzeichnungsdichte der gesamten Vorrichtung, worunter deren Zuverlässigkeit und gesamte Leistung leiden. Es wird dann nötig, die Sondenelektrode zu ersetzen oder zu regenerieren. Die Ersetzung wird mit einer Sondenelektrode ausgeführt, die vorab durch elektrolytisches Polieren oder Formen mittels elektrolytischer Entladung gebildet wurde. Auch für die Regeneration ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein starkes elektrisches Feld angelegt wird, während der zugespitzte Endabschnitt der Probe in einer Vakuumkammer aufgeheizt wird - beschrieben in JP-A-63-265101 - sowie ein Verfahren, bei dem eine elektrolytische Ver- bzw. Bedampfung in einer UHV- (Ultrahochvakuum)- Kammer ausgeführt wird.
Diese herkömmlichen Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß die ausgebildete oder regenerierte Form der Sonde unvermeidlich Schwankungen unterliegt, so daß das Auflösungsvermögen bei der Oberflächenbeobachtung mit dem Rastertunnelmikroskop oder bei der Aufzeichnung und Wiedergabe durch die Informationsaufzeichnungs-/-wiedergabevorrichtung in Abhängigkeit von der montierten Elektrode oder jedem Regenerationsvorgang variiert.
Ein drittes Beispiel für die Nutzung einer in atomarer Größenordnung zugespitzten Sondenelektrode ist der oben erwähnte Kodierer.
Herkömmliche Kodierer haben eine Referenzskala, die eine Positions- oder Winkelinformation enthält, und Nachweismittel zum Erfassen der Positions- oder Winkelinformation durch eine Relativbewegung zur Referenzskala. Anhand des in der Referenzskala und den Nachweismitteln eingesetzten Systems sind sie in verschiedene Typen zu klassifizieren, etwa als optische, magnetische und elektrostatisch kapazitive Kodierer.
Als Kodierer mit einem Auflösungsvermögen in atomarer Größenordnung ist eine Vorrichtung zur Erfassung des Betrages einer Parallelverschiebung bekannt, die in JP-A-62-209302 beschrieben wird und das Grundprinzip des Rastertunnelmikroskops nutzt, das in US-A-4 343 993 beschrieben ist.
Dieser Kodierer ist mit einer Referenzskala für die Länge und einer nahe der Referenzskala positionierten Sonde ausgerüstet und hat die Funktion der Erfassung des zwischen der Referenzskala und der Sonde, die mit einem Antriebsmechanismus versehen sind, erzeugten Stromes und des Kodierens der so erhaltenen Information in dem Strom.
Die Sonde zur Erfassung des Tunnelstroms bei diesem Kodierer besteht im allgemeinen aus einer spitzen Nadel, die durch bekannte elektrolytische Polierverfahren gebildet wird. Für diesen Zweck kann auch ein mechanisches Polieren genutzt werden. Die Leistungsparameter der in atomarer Größenordnung zugespitzen Sonde zur Erfassung des Tunnelstroms ist das Kernstück des Kodierers und direkt verknüpft mit der Leistung des Kodierers. Um einen Tunnelstrom in der Größenordnung von Picoampere bis Nanoampere nachzuweisen, der zwischen der Referenzskala und der Sonde erzeugt wird, muß der Abstand dazwischen jedoch im Bereich einiger Nanometer gehalten werden, so daß es durch Schwingungen des Untergrundes oder durch Geräusche zu einem Kontakt zwischen beiden kommen kann. Das zugespitzte Ende der Sonde wird durch einen solchen Kontakt zerstört und verliert die Fähigkeit zur Längenmessung in atomarer Größenordnung. Die Ersetzung oder Regenerierung einer solchen Probe führt zu dem erwähnten Nachteil, daß das Auflösungsvermögen in Abhängigkeit von der Ersetzung oder Regeneration schwankt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

In Anbetracht des oben gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 bzw. 6 ein stabiles Auflösungsvermögen auch nach Ersetzung oder Regeneration der Sonde zu gewährleisten und hierdurch die Genauigkeit und Stabilität des Verfahrens und der Vorrichtung zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 - im Hinblick auf das Verfahren - und durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 6 - im Hinblick auf die Vorrichtung - gelöst.
Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen vorliegender Erfindung vollständig klar.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Oberflächennachweiseinrichtung unter Benutzung einer feinen Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung,
die Figuren 2A und 2B sind schematische Darstellungen eines kleinen Fortsatzes, der am Ende der feinen Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist,
die Figuren 3A und 3B sind schematische Darstellungen, die ein Verfahren zur Bildung des kleinen Fortsatzes am Ende der feinen Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen,
Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung einer Einheit, die gewöhnlich in einer Beobachtungsvorrichtung und einer Aufzeichnungs-/Wiedergabevorrichtung verwendet wird, welche eine zweite und dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bilden.
Fig. 5 ist ein elektrisches Blockschaltbild der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung,
die Figuren 6A und 6B sind vergrößerte Darstellungen des Endabschnitts der Sonde der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung,
die Figuren 7 und 8 sind perspektivische Darstellungen einer Aufzeichnungs-/Wiedergabevorrichtung, die eine 4. und 5. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet,
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung eines Kodierers, der auf der Erfassung von mehreren Tunnelströmen basiert und eine 6. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
Fig. 10 ist ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsschaltung der in Fig. 9 gezeigten Vorrichtungen,
die Figuren 11, 12 und 13 sind Wellenformdiagramme von in der Signalverarbeitungsschaltung erhaltenen Signalen, und
die Figuren 14A und 14B sind Darstellungen, die das Prinzip der Sondenausbildung bei der 6. Ausführungsform zeigen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung detaillierter anhand von in den begleitenden Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch - unter Einschluß des elektrischen Blockschaltbilds - einen bevorzugten Aufbau einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind eine leitfähige Sonde 1, die beispielsweise aus Wolfram, Platin, Platin-Rhodium oder Platin-Iridium besteht und an einem Ende durch elektrolytisches Polieren oder mechanisches Polieren angespitzt ist, einer leitfähigen Sondenabdeckung 2, die aus einem beispielsweise durch Sputtern oder Plattieren aufgetragenen leitfähigen Material besteht, eine leitfähige Probe 3, ein kleiner Fortsatz (Ende der Sonde) 4, der auf weiter unten erläuterte Weise am Ende der mit der leitfähigen Sondenabdeckung 2 bedeckten leitfähigen Sonde 1 gebildet ist, ein Substrat 5 zum Fixieren der leitfähigen Probe 3, eine Vertikalpositions- Steuereinrichtung 6 zum Steuern des Abstandes zwischen der leitfähigen Sonde 1 und der leitfähigen Probe 3, eine Steuervorspannungs-Stromversorgung 7 zum wiederholt ansteigenden ("sweep") Anlegen einer Vorspannung zwischen die leitfähige Sonde 1 und die leitfähige Probe 3, eine Impulsstromversorgung 8 zum Variieren der Vorspannung, eine Tunnelstrom-Nachweisschaltung 9 zur Erfassung des Tunnelstroms zwischen der leitfähigen Sonde 1 und der leitfähigen Probe 3 und eine Vertikalsondenpositions-Steuerschaltung 10 zur Steuerung der Vertikalpositions-Steuereinrichtung 6. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird zur Steuerung des Abstandes zwischen der Sonde und der Probe der Tunnelstrom zur Erfassung dieses Abstandes genutzt, es können für diesen Zweck aber auch andere Mittel benutzt werden, wie die interatomare Kraft, die magnetische Kraft oder eleltrostatische Kraft. Nachfolgend wird eine detaillierte Erläuterung des Verfahrens zur Ausbildung des kleinen Fortsatzes bei dem oben erläuterten Aufbau unter Bezugnahme auf die Figuren 1, 2A und 2B gegeben.
Die leitfähige Sonde 1 wurde aus Wolfram gebildet und durch gewöhnliches elektrolytisches Polieren angespitzt. Der Krümmungsradius des Endes der Sonde war etwa 0,1 µm. Die Oberfläche der durch elektrolytisches Polieren präparierten Sonde 1 wurde mit Gold mit einer Dicke von 10 nm mittels einer Ionenstrahl-Sputtervorrichtung bedeckt. Die leitfähige Probe 3 wurde aus einer Platin-Aufdampfschicht gebildet. Die Vertikalpositions-Steuereinrichtung 6 wurde aus einem handelsüblichen PZT-Element mit einer Verschiebung von 1 µm/1000 V gebildet. Beim oben erläuterten Aufbau wurden die Abdeckung 2 der Sonde 1 und die Probe 3 in einem Abstand von einigen Nanometern gehalten, indem der Abstand mit der Tunnelstrom-Nachweisschaltung 9 erfaßt wurde und entsprechend dem Erfassungsergebnis ein Befehlssignal von der Vertikalsondenpositions-Steuerschaltung 10 an die Steuereinheit 6 gegeben wurde. Um eventuelle Änderungen im Abstand zwischen der Sonde 1 und der Probe 3 infolge externer Störungen -. etwa einer Temperaturdrift oder äußerer Schwingungen - zu vermeiden, wurde eine elektrische Rückkopplungs-Steuerung auf die Vertikalsondenpositions-Steuerschaltung 10 und die Vertikalpositions-Steuereinrichtung 6 entsprechend dem Ausgang der Nachweisschaltung 9 angewandt. Die Vorrichtung wurde in Luft angeordnet. In diesem Zustand wurde ein Impuls mit einer Dauer von 4 µs und einer Amplitude von 4 V von der Impulsquelle 8 der Steuervorspannungs-Stromquelle 7 zugeführt. Hierdurch wurde eine positive Spannung an die Probe angelegt, wodurch ein kleiner Fortsatz 4 - wie in Fig. 1 oder 2B gezeigt - mit einer Höhe von etwa 10 nm und einer Fläche von etwa 15 nm² an der Basis gebildet wurde.
Die Materialien für die Sonde, die Sondenabdeckung und die Probe, sind nicht auf die oben erwähnten beschränkt, sondern können geeignet gewählt werden, solange der Schmelzpunkt der Probe höher als derjenige der Sondenabdeckung ist.
Weiter können die Impulsparameter entsprechend der Größe des zu bildenden kleinen Fortsatzes geeignet gewählt werden, aber sie sollten so gewählt werden, daß die Sondenabdeckung und die Probe nicht zerstört werden.
Die Bildung des erwähnten kleinen Fortsatzes erlaubt die Bereitstellung einer feinen Sonde, die sowohl im Vakuum als auch in Luft molekulare Zustände auflösen kann. Weiterhin erlaubt die Auswahl eines geeigneten Materials, daß beim Anlegen der Impulsspannung keine Beschädigung der Probe bewirkt, innerhalb des Aufbaues des Rastertunnelmikroskops eine leichtere Generierung eines kleinen Fortsatzes mit einem Auflösungsvermögen in atomarer oder molekularer Größenordung auch für eine Sonde, die ihr Auflösungsvermögen durch einen zufälligen Kontakt mit der Probe beim Betrieb des Rastertunnelmikroskops verloren hat.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 3A und 3B eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von dem bevorzugten Aufbau nur in der Struktur der Probe 3, die mit einem Fortsatz 31 mit einem angespitzten Ende versehen ist, das vorab durch ein geeignetes bekanntes Verfahren gebildet wurde. Das Verfahren zur Bildung des kleinen Fortsatzes ist dasselbe wie bei der bevorzugten Ausführung, aber das Vorhandensein des zugespitzten Fortsatzes 31 schafft im Vergleich mit einer ebenen Probe ein konzentrierteres elektrisches Feld beim Anlegen der Impulsspannung. Es ist daher möglich, einen kleinen Fortsatz 4 mit kleinerem Krümmungsradius als demjenigen des Fortsatzes 4 zu gewinnen, der bei der ersten Ausführungsform (Figuren 1, 2A und 2B) erhalten wurde.
Die Bildung eines kleinen Fortsatzes mit einem kleineren Krümmungsradius am Ende der leitfähigen Sonde durch Anlegen einer Spannung zwischen der Sonde und einem leitfähigen Substrat, während diese in einem kleinen Abstand zueinander gehalten werden, hat den Effekt eines höheren Auflösungsvermögens infolge des kleineren Krümmungsradius.
Die erläuterte Ausführungsform erlaubt die Bildung eines zugespitzten Endes mit einem Krümmungsradius von 0,1 µm, eines kleinen Fortsatzes von noch kleinerem Krümmungsradius, in einem einfachen Verfahren mittels einer Vorrichtung mit dem Aufbau eines Rastertunnelmikroskops entweder im Vakuum oder in Luft, wodurch eine feine Sonde mit einem Auflösungsvermögen auf atomarem oder molekularem Niveau mit einem einfachen Verfahren bereitgestellt wird, was sich als äußerst wirksam für eine Verbesserung der Leistungsparameter, eine Verringerung der Größe der Herstellungsvorrichtung und eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens erweist.
Da die Ausbildung der Sonde durch Anlegen einer Spannung nach Erfassung und Steuerung des Abstandes zwischen einer Elektrode und dem Ort der Bildung der Sonde bewirkt wird, kann der Abstand bei der Bildung der Sonde prazise gesteuert und genau eine gewünschte Form erhalten werden. Das Anlegen der Spannung mit einem stabil konstanten Abstand führt zu konstanten Ausbildungsbedingungen, was die Erhaltung einer konstanten Form bei der gebildeten Sonde ermöglicht.
Die folgenden Ausführungsformen beschreiben Vorrichtungen, die mit dem Sonden-Neubildungsmechanismus der Erfindung ausgerüstet sind.

2. Ausführungsform

Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen eine Oberflächenbeobachtungsvorrichtung, die eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
In Fig. 4 sind gezeigt: eine leitfähige Sonde (Sondenelektrode) 11, die aus einem leitenden Material wie Wolfram, Platin, Platin-Iridium oder Platin-Rhodium besteht und an einem Ende durch elektrolytisches oder mechanisches Polieren angespitzt ist, eine leitfähige Sondenabdeckung 12, die aus einem durch Sputtern oder Plattieren aufgebrachten leitfähigen Material besteht, ein am Ende der leitfähigen Sonde 11, die mit der leitenden Abdeckung 12 bedeckt ist, gebildeter kleiner Fortsatz 13, eine Sondenregenerierungselektrode 14 zur Bildung des kleinen Fortsatzes 13, eine Probe 15, deren Oberfläche mit der leitfähigen Sonde 11 zu beobachten ist, eine drehbare Probenhalterung 16 zum drehbaren Halten der Sondenregenerierungselektrode 14 und der Probe 15, ein zylindrisches piezoelektrisches Nonius-Element 17 zum dreidimensionalen Bewegen der Sonde 11 in vertikaler Richtung, ein piezoelektrisches Positionierungselement 18 zum Positionieren der Sonde 11 in einem Abstand von einigen Nanometern von der Elektrode, einen Drehmechanismus 19 zum Drehen der drehbaren Probenhalterung 16 und einen Träger 20 zum Halten der Sondenregenerierungselektrode 14 und der Probe 15.
In Fig. 5 sind gezeigt: eine Vorspannungs-Stromquelle 21, eine Impulsstromquelle 22, eine Relaisschaltung 23, eine Impulsstrom-Erfassungsschaltung 24, ein Strom-Spannungswandler 25, ein logarithmischer Umsetzer 26, ein Vergleicher 27, ein Integrator 28, ein Mikrocomputer 29, ein Verstärker 30, eine Drei- Dimensionen-Abtastschaltung 32S zur Steuerung des zylindrischen piezoelektrischen Nonius-Elementes 17 zum Bewirken einer dreidimensionalen Bewegung der Sonde 11, eine Bewegungssteuerschaltung 32 zum Bewirken einer Annäherung der Sonde an die Elektrode, eine Drehmechanismus-Steuereinrichtung 33 zum Drehen und zur Positionssteuerung des Drehmechanismus 19 und eine Anzeigeeinrichtung 34.
Fig. 6 ist eine vergrößerte Teilansicht der Sonde 11 und der Sondenregenerierungsvorrichtung 14.
Die zu einer Reparatur des abgenutzten oder beschädigten Endes der Sonde mittels des oben erläuterten Aufbaues fähige Oberflächenbeobachtungsvorrichtung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 4, 5 und 6 detaillierter erläutert.
Die Sondenregenerierungselektrode 14 gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf dem Träger 20 in einer Position beabstandet vom Zentrum der drehbaren Probenhalterung 16 angeordnet. Die Sondenregenerierungselektrode 14 wurde aus einem aufgedampften Platinfilm gebildet. Das Substrat 20 bestand aus einer Corning #7059-Glasplatte. Die zu beobachtende Probe 15 wurde auf dem Substrat 20 in einer Position symmetrisch zur Sondenregenerierungselektrode 14 bezüglich des Zentrums der Halterung 16 angeordnet. Die Probe 15 bestand aus hochgradig orientiertem Graphit, wobei eine durch Spalten erhaltene saubere Oberfläche beobachtet wurde.
Nachfolgend wird der Endabschnitt der Sonde 11 erläutert, an dem der kleine Fortsatz bzw. Vorsprung 13 auszubilden ist. Die Sonde 11 bestand aus Wolfram und wurde durch gewöhnliches elektrolytisches Polieren mit einem Krümmungsradius von 0,1 µm am Ende zugespitzt. Der Endabschnitt der Sonde 11, der durch elektrolytisches Polieren präpariert wurde, wurde dann mittels einer Ionenstrahl-Sputtervorrichtung mit einer Dicke von etwa 10 nm mit Gold bedeckt.
Die oben beschriebene Oberflächenbeobachtungsvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform wurde in Luft betrieben. Um den Abstand zwischen der Sonde 11 und der Sondenregenerierungselektrode 14 bei einem konstanten Wert von einigen Nanometern zu halten, wurde dem zylindrischen piezoelektrischen Nonius- Element 17 über den Strom-Spannungswandler 25, den logarithmischen Wandler 26, den Vergleicher 27, den Integrator 28 und den Verstärker 30 ein elektrisches Rückkopplungssignal mit einer Ausgangsspannung von 100 nV von der Vorspannungs-Stromquelle 21 zugeführt. Die Verschiebung des zylindrischen piezoelektrischen Elementes 17 betrug 1 µm pro kV. Der Tunnelstrom wurde benutzt, um den Abstand zwischen der Sonde 11 und der Sondenregenerierungselektrode 14 oder der Probe 15 zu erfassen. Durch die erwähnte elektrische Rückkopplung des zylindrischen piezoelektrischen Nonius-Elementes 17 wurden der Impulsspannungsquelle 22 Bedingungen einer Impulsdauer von 4 µs und einer Impulsamplitude von 4V auferlegt, um einen kleinen Fortsatz 13 mit einer Höhe von 10 nm und einer Fläche von 15 nm² am Fuß zu bilden, wie in Fig. 3B gezeigt. Der Mechanismus der Ausbildung des kleinen Vorsprungs 13 ist vermutlich der eines sofortigen Schmelzens und Abkühlens des Materials, das durch das Anlegen eines Hochspannungsimpulses bewirkt wird, oder der der Bildung einer Haufenform als einem stabilen Zustand nach der Aufspaltung von Atom- oder Molekülketten, aber die Erfinder neigen dem erstgenannten thermischen Mechanismus zu, da die dem Endabschnitt der Sonde 11 im Ergebnis des Anlegens der Impulsspannung zugeführte Joul'sche Wärme hat einen beträchtlichen Betrag. Folglich sind die Materialien für die Sonde, die Sondenabdeckung und die Elektrode nicht auf die oben erwähnten beschränkt, sondern können geeignet ausgewählt werden, solange der Schmelzpunkt der Sondenabdeckung niedriger als derjenige der Elektrode ist.
Da die Steuerung bzw. Regelung mit elektrischer Rückkopplung so ausgeführt wird, daß der erfaßte Tunnelstrom gleich einem vorbestimmten Wert wird, wird der Abstand zwischen der Sonde 11 und der Elektrode 14 präzise bei einem vorbestimmten Wert gehalten, und die Gestalt des kleinen Vorsprungs kann durch Bewirken einer solchen Steuerung bei jeder Ausbildung oder Regeneration einer Sonde konstant gehalten werden.
Nach der Bildung des kleinen Fortsatzes am Ende der Sonde 11 auf die oben erwähnte Weise wird der Abstand zwischen der Sonde 11 und der Sondenregenerierungselektrode 14 mittels des piezoelektrischen Grobbewegungselements 18 (Verschiebung: 10 µm pro 100 V) und der Grobbwegungs-Steuerschaltung 32 auf etwa 5 µm erhöht. Dann wird der drehbare Probentisch 16 mittels des Drehmechanismus 19 und der Positionssteuereinrichtung 33 um 180º gedreht, so daß die Probe 15 der Sonde 11 gegenüberliegt und das piezoelektrische Grobbewegungselement 18 und das zylindrische piezoelektrische Noniuselement 17 werden aktiviert, um die elektrische Steuerung unter Erfassung des Tunnelstromes auf solche Weise auszuführen, daß der Abstand zwischen dem kleinen Fortsatz 13 und der Probe 15 bei einigen Nanometern gehalten wird.
Dann wird unter elektrischer Rückkopplung zur Aufrechterhaltung eines konstanten Abstandes zwischen dem kleinen Fortsatz 13 und der Probe 15 die Bewegung der Sonde 11, oder die Oberflächengestalt der Probe 15, aufgrund der Ansteuerspannungen für das piezoelektrische Grobbewegungselement 18 und das zylindrische piezoelektrische Noniuselement 17 durch den Mikrocomputer 29 in ein Bild umgewandelt und auf der Anzeigeeinrichtung 32 angezeigt. So wurde bestätigt, daß das Bild von Atomen in hochgradig orientiertem Graphit mit hohem Auflösungsvermögen erhalten werden konnte. Weiter wurde im Laufe der Beobachtung des Bildes der kleine Fortsatz 13 am Ende der Sonde 11 durch eine unbeabsichtigte äußere Schwingung zerstört, und die Sonde wurde unfähig, ein atomares Bild des Graphits zu liefern.
Aus diesem Grund wurde ein Verfahren zur Regenerierung des kleinen Fortsatzes 13 am Ende der Sonde 11 nötig. Zu diesem Zweck wurde der Abstand zwischen der Sonde 11 mit der Probe 15 durch das piezoelektrische Grobbewegungselement 18 auf etwa 5 µm erhöht, und der drehbare Probentisch 16 wurde durch den Drehmechanismus 19 um 180º gedreht, um die Sondenregenerierungselektrode 14 in eine der Sonde 11 gegenüberliegende Position zu bringen. In diesem Zustand konnte der kleine Fortsatz 13 durch Anlegen einer Impulsspannung auf dieselbe Weise wie bei der anfänglichen Bildung des kleinen Fortsatzes 13 regeneriert werden.
Eine Oberflächenbeobachtungsvorrichtung mit einer Sondenregenerierungsfunktion gemäß der vorliegenden Erfindung konnte mit den oben erwähnten Komponenten, Materialien und elektrischen Schaltungen erhalten werden. Der Impuls zur Probenregenerierung war durch eine Höhe von 4 V und eine Dauer von 4 µs definiert, aber diese Parameter sind entsprechend den Materialien der Sondenabdeckung und der Sondenregenerierungselektrode geeignet wählbar und nicht auf die bei der vorliegenden Ausführungsform erwähnten beschränkt.
Weiterhin wurde die Ausführungsform unter Beschränkung auf die Anwendung der Oberflächenbeobachtungsvorrichtung auf ein Rastertunnelmikroskop erläutert, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine solche Anwendung beschränkt und natürlich auf eine andere Beobachtungsvorrichtung, wie etwa ein AFM, anwendbar.
Wie oben erläutert, bietet die vorliegende Ausführungsform signifikante Vorteile hinsichtlich der Erreichung eines höheren Auflösungsvermögens der Sonde infolge der Reduzierung des Krümmmungsradius am Ende der Sonde und des Einschlusses eines nicht-thermischen Regenerierungsmechanismus, mit dem eine Qualätitsverschlechterung oder Zerstörung der Sonde oder der zu beobachtenden Probe verhindert werden kann, wodurch die Leistungsfähigkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse der Vorrichtung auf einfache Weise verbessert werden können.

3. Ausführungsform

Die oben erläuterte Beobachtungsvorrichtung kann als Informationsaufzeichnungs-/-wiedergabevorrichtung benutzt werden, indem die zu beobachtende Probe durch ein Aufzeichnungsmedium ersetzt und eine Aufzeichnungsspannung entsprechend der Aufzeichnungsinformation bei der Impulsspannungsquelle 22 aufgeprägt wird.
Die nachfolgende Ausführungsform benutzt ein aus 8 LB-Schichten, die aus Squalirium-bis-6-octylazulen übereinander auf einem Graphitsubstrat gebildet wurden, bestehendes Aufzeichnungsmedium 15, das einen Speichereffekt gegenüber einer Spannungs-Strom-Umschaltung zeigt.
Zuerst wird der Endabschnitt der Sonde 11 erläutert, an dem der kleine Vorsprung 13 auszubilden ist. Die Sonde 11 bestand - wie bei der oben erläuterten Beobachtungsvorrichtung - aus Wolfram und wurde durch elektrolytisches Polieren mit einem Krümmungsradius von etwa 0,1 µm am Ende angespitzt. Der so durch elektrolytisches Polieren präparierte Endabschnitt der Sonde 11 wurde dann durch eine Ionenstrahl-Sputtervorrichtung mit einer Dicke von etwa 10 nm mit Gold bedeckt.
Die mit hoher Dichte arbeitende Aufzeichnungs-/Wiedergabevorrichtung der vorliegenden Ausführungsform wird in Luft betrieben. Um den Abstand zwischen der Sonde 11 und dem Sondenregenerierungsmedium 14 auf einem konstanten Wert von einigen Nanometern zu halten, wird dem zylindrischen piezoelektrischen Noniuselement 11 über den Strom-Spannungs-Wandler 25, den logarithmischen Wandler 26, den Vergleicher 27, den Integrator 28 und den Verstärker 30 ein elektrisches Rückkopplungssignal mit einer Spannung von 100 mV zugeführt, die durch die Vorspannungs-Stromquelle 21 geliefert wird. Die Verschiebung des piezoelektrischen Elements 11 beträgt 1 µm pro 1 kV. Der Tunnelstrom wurde zur Erfassung des Abstandes zwischen der Sonde 11 und der Sondenregenerierungselektrode 14 oder dem Aufzeichnungsmedium 15 genutzt. Mit der dem zylindrischen piezoelektrischen Noniuselement 17 zugeführten elektrischen Rückkopplung wurde ein Impuls mit den Parametern einer Dauer von 4 µm und einer Amplitude von 4 V durch die Impulsspannungsstromquelle 22 ausgegeben, um einen kleinen Vorsprung 13 mit einer Höhe von 10 nm und einer Fläche von 15 nm² am Fuß bzw. der Basis zu bilden - wie in Fig. 6B gezeigt.
Wie bei den vorangehenden Ausführungsformen wird der Abstand zwischen der Sonde 11 und dem Medium infolge der elektrischen Rückkopplungs-Steuerung unter Zuführung eines konstanten Tunnelstromes präzise bei einem vorbestimmten Wert gehalten, und die Form des kleinen Fortsatzes kann durch Wiederholung dieser Steuerung bei jeder Ausbildung oder Erneuerung der Sonde präzise konstant erzeugt werden.
Nach der Bildung des kleinen Fortsatzes 13 am Ende der Sonde 11 auf die oben erläuterte Weise wird der Abstand zwischen der Sonde 11 und der Sondenregenerierungselektrode 10 mit des piezoelektrischen Grobbewegungselements 18 (Verschiebung: 10 µm pro 100 V) und der Grobbewegungs-Steuerschaltung 32 auf etwa 5 µm erhöht. Dann wird der drehbare Probentisch 16 mittels des Drehmechanismus 19 und der Positionssteuereinrichtung 33 um 180º gedreht, so daß die Probe 15 der Sonde 11 gegenüberliegt, und das piezoelektrische Grobbewegungselement 18 und das zylindrische piezoelektrische Noniuselement 17 werden aktiviert, um die elektrische Steuerung bzw. Regelung unter Erfassung des Tunnelstroms auf solche Weise auszuführen, daß der Abstand zwischen dem kleinen Fortsatz 13 und der Probe 15 bei einigen Nanometern gehalten wird. Der Strom in diesem Zustand war 100 pA. In diesem Zustand kann eine Aufzeichnung und Wiedergabe ausgeführt werden. Die Aufzeichnung wird durch Bewegen der Sonde 11 in eine beliebige Position durch die Drei-Dimensionen-Tastschaltung 31 und Anlegen einer Spannung mit einer Pulsdauer von 1 µs und einer Amplitude von 2 V (oberhalb einer Schwellspannung von 1,5 V für den elektrischen Gedächtniseffekt) unter Nutzung der Impulsspannungsquelle 22 ausgeführt, wodurch ein Ein-Zustand (mit einem um das mehr als 1000-fache größeren Strom als im Aus-Zustand) auf dem Aufzeichnungsmedium 15 aufgezeichnet werden konnte. Der Ein-Zustand konnte durch Wiederabtastung der Aufzeichnungsposition wiedergegeben werden.
Im Verlaufe der Aufzeichnung und Wiedergabe wurde durch einen Kontakt mit dem Aufzeichnungsmedium 15 der kleine Vorsprung 13 am Ende der Sonde 11 zerstört und diese verlor das Auflösungsvermögen auf atomarem oder molekularem Niveau, so daß es erforderlich wurde, den Endabschnitt der Sonde 11 zu regenerieren. Es war daher ein Verfahren zur Regenerierung des kleinen Vorsprungs 13 am Ende der Sonde 11 erforderlich. Zu diesem Zweck wurde der Abstand zwischen der Sonde 11 und dem Aufzeichnungsmedium 15 durch das piezoelektrische Grobbewegungselement 18 auf etwa 5 µm vergrößert, und der drehbare Probentisch 16 wurde durch den Drehmechanismus 19 um 180º gedreht, um die Sondenregenerierungselektrode 14 in eine Position gegenüber der Sonde 11 zu bringen. In diesem Zustand konnte der kleine Fortsatz 13 durch Anlegen einer Impulsspannung auf dieselbe Weise wie bei der anfänglichen Bildung des kleinen Fortsatzes 13 regeneriert werden.
Auf diese Weise konnte mit den oben erwähnten Komponenten, Materialien und elektrischen Schaltungen eine Aufzeichnungs- /Wiedergabevorrichtung für hochdichte Aufzeichnung mit einer Sondenregenerierungs funktion erhalten werden.
Die oben erläuterte Ausführungsform benutzt ein aus 8 LB- Schichten aus Squalirium-bis-6-octylazulen, übereinander auf ein Graphitsubstrat geschichtet, bestehendes Aufzeichnungsmedium 15, aber es kann ein beliebiges Aufzeichnungsmedium (eine Schicht) benutzt werden, auf dem geschrieben und gelöscht werden kann, und das Verfahren zur Präparierung des Aufzeichnungsmediums ist nicht auf die vorangehende Beschreibung beschränkt.
Weiterhin wurde bei der erläuterten Ausführungsform der Impuls zur Sondenregenerierung anhand einer Amplitude von 4 V und einer Dauer von 4 µs definiert, aber diese Parameter sind in Abhängigkeit der Materialien für die Sondenabdeckung und die Sondenregenerierungselektrode geeignet zu wählen und nicht auf die bei der vorliegenden Ausführungsform erwähnten beschränkt.

4. und 5. Ausführungsform

Nachfolgend werden eine 4. und 5. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren 7 und 8 erläutert. Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Sondenregenerierungselektrode 14 in einer Position inmitten des Aufzeichnungsmediums 15 vorgesehen ist, während Fig. 8 eine Ausführungsform zeigt, bei der Sondenregenerierungselektroden 14 in radialer Richtung angeordnet sind. In den Figuren 7 und 8 ist ein einachsiger Tisch 31 zum Bewegen der Sonde 11 über den Radius des Aufzeichnungsmediums 15 hinaus vorgesehen. Diese Ausführungsformen nutzen das CD-Antriebsverfahren zur Aufzeichnung auf das Aufzeichnungsmedium 15 und bieten Verbesserungen hinsichtlich der Position der Sondenregenerierungselektrode(n) in den Fällen einer konzentrischen oder spiralartigen Aufzeichnung auf das Aufzeichnungsmedium 15 zur Erreichung einer Aufzeichnung mit hoher Geschwindigkeit und Dichte. In Fig. 7 ist die Sondenregenerierungselektrode 15 im Zentrum des Aufzeichnungsmediums positioniert, während in Fig. 18 die Sondenregenerierungselektroden in radialer Richtung - das Zentrum des Mediums einschließend - positioniert sind. Die Ausbildung und Regenerierung des kleinen Fortsatzes 13 bei der 4. und 5. Ausführungsform wurden mit demselben Verfahren und unter denselben Bedingungen wie bei der dritten Ausführungsform ausgeführt. Weiterhin sind das Aufzeichnungsverfahren und die Bedingungen hinsichtlich des Aufzeichnungsmediums 15 dieselben wie bei der dritten Ausführungsform. Wie vorstehend erläutert, erlauben es die 3. bis 5. Ausführungsform, eine Qualitätsverschlechterung oder Zerstörung des Endabschnitts der Sonde zu verhindern und sie innerhalb einer Aufzeichnungs-/Wiedergabevorrichtung für hochdichte Aufzeichnung zu regenerieren, indem einfach eine Impulserzeugerschaltung, ein Sondenregenerierungsmedium und ein Sondenabdeckungsmaterial hinzugefügt werden, wodurch erhebliche Vorteile hinsichtlich der Vereinfachung der Herstellung der Vorrichtung und der Verbesserung der Stabilität und Zuverlässigkeit der Aufzeichnung und Wiedergabe erreicht werden.

6 Ausführungsform

Fig. 9 zeigt den Aufbau eines Kodiers, der eine 6 Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet, und Fig. 10 ist ein gemeinsames Blockschaltbild für die Signalverarbeitungsschaltungen A und B, die in Fig. 9 gezeigt sind.
Wie in Fig. 9 zu erkennen, sind Elemente 101 und 102 so ausgebildet, daß sie zu einer gegenseitigen Verschiebung nur in lateraler Richtung (längs der Zeichnungsebene) in der Lage sind. Das Element 101 ist mit zwei Sondenelektroden 11a, 11b versehen, die an der Oberfläche mit Abdeckungen 12a, 12b und kleinen Vorsprüngen 13a, 13b (deren Herstellungsverfahren weiter unten erläutert wird) versehen sind. Das Element 102 trägt Referenzskalen 15a, 15b und Sondenregenerierungselektroden 14a, 14b auf groben Tischen 18a, 18b, die durch Drehmechanismen 19a, 19b gedreht werden. Vorspannungen werden zwischen den an den Enden der Sonden 11a, 11b gebildeten kleinen Vorsprüngen 13a, 13b und den Referenzskalen 15a, 15b mittels Vorspannungs- Stromquellen 21a, 21b angelegt. Die Enden der kleinen Vorspränge 13a, 13b werden so nahe zu den Referenzskalen 15a, 15b gehalten, daß dazwischen Tunnelströme fließen können.
Die an den kleinen Vorsprüngen 13a, 13b erhaltenen Tunnelströme 10a, 10b werden Signalverarbeitungsschaltungen A, B - gezeigt in Fig. 10 - zugeführt, durch Strom-Spannungs-Wandler 107 in Spannungen umgewandelt, durch Verstärker 108 verstärkt und durch logarithmische Wandler 109 einer logarithmischen Wandlung unterzogen.
Die beiden Sonden 11a, 11b werden mittels der Sondenschwingeinrichtungen 110a, 110b in Richtung der Relativverschiebung der Elemente 101 und 102 in eine Schwingung mit einer Frequenz f und einer Amplitude d versetzt. Ein Sondenschwingsignal wird durch Umwandlung eines Rechteck-Impulszuges (eine Rechteckwelle) 2a mit einer Frequenz nf von einem Oszillator 111 in einen Dreieck-Impulszug (eine Dreieckwelle) mit einer Frequenz f mittels einer Frequenzteilerschaltung 112 und Impulsform-Umwandlungsschaltungen 112a, 112b gewonnen und nach Verstärkung durch einen Verstärker 114 (Signal 2c) den Sondenschwingeinrichtungen 110a, 110b zugeführt. Anstatt die Sonden 11a, 11b in Schwingung zu versetzen, können durch eine geeignete, am Element 102 vorgesehene Schwingeinrichtung die Referenzskalen 15a, 15b in Schwingung versetzt werden.
Weiterhin wird bei der lateralen Realtivbewegung der Elemente 101 und 102 der Abstand zwischen der Sonde und der Referenzskala so gesteuert, daß der mittlere Abstand dazwischen konstant wird (daß der Mittelwert des erfaßten Tunnelstroms konstant wird), indem das Ausgangssignal des logarithmischen Wandlers 109 erfaßt und die Vertikalsondenpositionssteuereinrichtungen 17a, 17b über eine Rückkopplungsschleife aktiviert werden, die durch eine Tunnelstrommittelwert-Einstellschaltung 115, ein Tiefpaßfilter 116 und einen Verstärker 117 gebildet wird, um die Differenz zwischen dem Ausgangssignal und einem voreingestellten Wert auszugeben. Die Abscheiderfrequenz des Tiefpaßfilters 115 ist so gewählt, daß schnelle Änderungen im Tunnelstrom, die durch laterale Schwingungen der Sonde auf der Referenzskala erzeugt werden, eliminiert, jedoch langsame Änderungen des Tunnelstromes hindurchgelassen werden, die beispielsweise durch eine eventuelle Neigung der Referenzskala bei der Lateralverschiebung der Elemente 101 und 102 relativ zueinander hervorgehoben werden.
Infolge der durch die Schwingeinrichtungen 110a, 110b hervorgerufenen Schwingung der Sonden zeigen die Tunnelströme 10a, 10b, die zwischen den Sonden und den Referenzskalen fließen, mit einer Frequenz (2d/p)f modulierte Anteile, die durch das abtastende Führen der Sonden über die Referenzskalen hervorgerufen sind, wobei p die Teilung der Referenzskalen ist. Wenn die Elemente 101 und 102 in lateraler bzw. seitlicher Richtung relativ zueinander verschoben werden, werden die Modulationskomponenten der Frequenz (2d/p)f der Tunnelströme 10a, 10b bezüglich eines Referenzsignals (beispielsweise eines Sondenschwingungssignals) in der Phase verschoben. Da ein Signalzyklus (eine Phasenverschiebung von 2 π einer seitlichen Relativverschiebung zwischen der Sonde und der Referenzskala um eine Teilungseinheit entspricht, kann der Betrag der lateralen Relativverschiebung zwischen den Elementen 101 und 102 über die Erfassung der Phasenverschiebung erfaßt werden.
Nachfolgend wird die Funktion der in Fig. 10 gezeigten Signalverarbeitungsschaltung erläutert, wobei auf die Figuren 11 und 12 Bezug genommen wird.
Die mit der Frequenz (2d/p)f modulierte Komponente des Tunnelstroms wird durch einen Strom-Spannungswandler 107, einen Verstärker 108 einen logarithmischen Wandler 109 und ein Bandpaßfilter 118 extrahiert (Signal 2d) und durch eine Digitalisierungsschaltung 119 in ein digitales Signal 2e umgewandelt. Die Amplitude des Sondenschwingungssignals 2c, das der Sondenschwingeinrichtung 110 zugeführt wird, die Verstellung des Verstärkers 114) wird so eingestellt, daß sie der Bedingung d = 2p/n genügt, wodurch die Frequenz des Signals 2e auf den Wert nf gebracht wird. Dann wird das Signal 2e mittels eines Analogschalters 120 unter Verwendung eines Signals 2b, das durch Teilen der Frequenz des Signals 2a vom Oszillator 111 um 1/n durch einen Frequenzteiler 112 erhalten wird, als Referenzsignal in zwei Signale 2f und 2g aufgeteilt.
Weiter wird das Signal 2a mittels eines Analogschalters 121 unter Verwendung des Signals 2b als Referenzsignal in zwei Signale 2h und 2i aufgeteilt.
Die Signale 2f und 2h werden einem Phasenvergleicher 122 zugeführt, und ein Phasendifferenz-Ausgangssignal 2j, das von diesem erhalten wird, wird durch eine Mittelwertbildungsschaltung 123 gemittelt, wodurch ein Signal 2k erhalten wird.
Die relative Phasenverschiebung zwischen den Signalen 2f und 2h kann beispielsweise durch Erfassung der Nulldurchgänge des Phasendifferenz-Ausgangssignals 2k (oder 3a, längs der Abszisse vergrößert) durch eine Digitalisierungsschaltung 124 erfaßt werden, wodurch ein Impuls (Signal 3b) für jede Phasendifferenz von 2n π (n ist eine ganze Zahl) erzeugt wird, und Zählen der so erzeugten Impulse durch einen Aufwärts-/Abwärtszähler 125).
Ein Phasenverschiebungs-Richtungssignal, welches den Auf-/Ab- Zählzustand (sign) anzeigt, und dem Zähler 125 zugeführt wird, wird auf die folgende Weise erhalten. Ein Signal 21, das gegenüber dem Signal 2h um 90º phasenverschoben ist, wird durch einen Phasenschieber 126 und einen Analogschalter 127 aus dem Ausgangssignal 2a des Oszillators 111 erzeugt. Die Signale 2f und 2l werden einem Phasenvergleicher 128 zugeführt, dessen Phasendifferenz-Ausgangssignal 2m durch eine Mittelwertbildungsschaltung 129 gemittelt wird, wodurch ein Signal 2n (3d) erhalten wird. Das Signal 3d wird in einer Digitalisierungsschaltung 130 digitalisiert, um ein Phasenverschiebungs-Richtungssignal oder ein Auf-/Ab-Eingangssignal 3e für den Aufwärts-/Abwärtszähler zu erhalten. Eine Aufwärts- oder Abwärtszähloperation wird jeweils ausgeführt, wenn das Signal 3e beim Anstieg des Impulssignals 3b positiv oder negativ ist.
Der Betrag der gegenseitigen Lateralverschiebung der Elemente 101 und 102 kann auf die oben erläuterte Weise ermittelt werden. Ein Signal 3c, das den Betrag der gegenseitigen Laterialverschiebung angibt, wird als Kodiererausgaben a, b von den Signalverarbeitungsschaltungen A, B ausgegeben.
Bei der in der oben erläuterten Ausführungsform angewandten Methode entspricht ein Zyklus (2 π) einer Relativverschiebung um eine Teilungseinheit der Referenzskala. Obwohl dies oben nicht erläutert wurde, kann der Betrag der Relativverschiebung auch ermittelt werden, indem eine ähnliche Signalverarbeitung hinsichtlich der Signale 2g und 2i vorgenommen wird.
Nachfolgend werden die Kodiererausgänge a und b verglichen, die in Fig. 9 gezeigt sind. Fig. 13 stellt die Signale 3a, 3e und 3c jeweils in den Signalverarbeitungsschaltungen A und B dar. Da die den kleinen Vorsprüngen 13a, 13b gegenüberliegenden Referenzskalen 15a, 15 identisch sind, sollten die Kodiererausgänge a und b in der Wellenform übereinstimmen. Jedoch zeigen in Fig. 13 die Signale der Verarbeitungsschaltung B in einer Position X eine Nicht-Periodizität. Dies bedeutet, daß der kleine Vorsprung 13b als Sonde für einen Kodierer mit einem Auflösungsvermögen auf atomarem Niveau in der Position X ungeeignet geworden ist - beispielsweise infolge einer aus einem unbeabsichtigten Kontakt resultierenden Beschädigung.
Die Leistungsfähigkeit der Sonde wird durch eine Sondenleistungs-Prüfschaltung 200 geprüft, die in der oberen rechten Ecke in Fig. 10 dargestellt ist. Die Prüfung wird durch Umwandlung der Änderung des durch die Sonde 11a oder 11b erfaßten Tunnelstroms in ein elektrisches Signal durch den Strom-Spannungs-Wandler 107, einen Verstärker 108 und einen logarithmischen Wandler 109 erreicht, wobei aus dem so erhaltenen Signal 4a eine modulierte Komponente einer Frequenz von (2d/p)f&sub1; durch ein Bandpaßfilter 201 erhalten, diese Komponente durch eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung 202 gemittelt und das gemittelte Signal in einem Vergleicher 204 mit einem vorbestimmten Referenzsignal, das die Leistung der Probe kennzeichnet von einer Referenzquelle 205 geliefert wird, verglichen wird. Wenn es eine Differenz zwischen beiden Signalen gibt, wird die Sonde als ungeeignet beurteilt und ein entsprechender Prüfausgang ausgegeben. Die Beschädigung am Ende des kleinen Fortsatzes 13a oder 13b kann anhand des Prüfausgangs erkannt werden.
Die Längenmessung wird noch durch den kleinen Fortsatz 13a und die Referenzskala 15a ohne Unterbrechung ausgeführt, es ist jedoch erforderlich, den bereits beschädigten kleinen Fortsatz 13b zu regenerieren, da der Endabschnitt der Sonde 11a in jeden Augenblick ebenfalls beschädigt werden könnte.
Nachfolgend wird der Regenerierungsvorgang erläutert. Beim vorliegenden Beispiel wird, da der Endabschnitt des kleinen Fortsatzes 13b beschädigt ist, der Regenerierungsmechanismus auf der linken Seite von Fig. 9 benutzt. Der Kodiermechanismus an der rechten Seite kann den Längenmeßvorgang fortsetzen, Zuerst wird, da der kleine Fortsatz 13b und die Referenzskala 15b in einem so kleinen Abstand zueinander positioniert sind, daß ein Tunnelstrom dazwischen erzeugt wird, die Sonde 11b durch die Vertikalsondenpositions-Steuereinrichtung 17b von der Referenzskala 15b zurückgezogen. Dann wird der Probentisch 16b, der die Referenzskala 15b und die Sondenregenerierungselektrode 14b trägt, durch den Drehmechanismus 19b und die Positionssteuereinrichtung 33b auf solche Weise um 180º gedreht, daß die Sondenregenerierungselektrode 14b dem kleinen Fortsatz 13b gegenüberliegt. Die zurückgezogene Sonde 11b, die an ihrem Ende den kleinen Fortsatz 13b trägt, wird bis auf eine Entfernung näher an die Sondenregenerierungselektrode 14b gebracht, daß dazwischen ein Tunnelstrom regeneriert wird. In diesem Zustand wird der Abstand zwischen der Sonde 11b und der Elektrode 14b mittels der erwähnten Rückkopplungsschleife auf einen vorbestimmten Wert eingeregelt, und der kleine Fortsatz 13b wird wiederum durch die Impulsstromquelle 22b ausgebildet. Nach der Neubildung des kleinen Fortsatzes wird er wieder zurückgezogen, dann wird die Referenzskala 15b in eine Position gegenüber dem kleinen Fortsatz 13b gebracht, und der kleine Fortsatz 13b wird nahe an die Referenzskala 15b gebracht, bis ein Tunnelstrom dazwischen erzeugt wird. Der beschädigte Endabschnitt der Sonde kann auf die oben erwähnte Weise regeneriert werden.
Wie oben erläutert, wird mit der vorliegenden Ausführungsform ein Kodierer mit wesentlich erhöhter Zuverlässigkeit bereitgestellt, da eine eventuell beschädigte Sonde regeneriert und die Längenmessung auch während der Regeneration mittels der anderen Sonde fortgesetzt werden kann, wodurch die Längenmessung auf genaue Weise ausgeführt werden kann.
Das Verfahren zur Bildung des kleinen Fortsatzes 13 (13a oder 13b), das bei der vorliegenden Ausführungsform angewandt wird, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 9 und 14 detaillierter erläutert.
Die Sondenregenerierungselektrode 14 (14a, 14b) der vorliegenden Ausführungsform umfaßte eine Platin-Aufdampfschicht, die auf ein Corning 7059-Glassubstrat mittels einer Ionenstrahl- Sputtervorrichtung abgeschieden war. Die Sonde 11 (11a, 11b) bestand aus Wolfram und war am Ende mittels gewöhnlichen elektrolytischen Polierens mit einem Krümmungsradius von etwa 0,1 µm angespitzt. Der Endabschnitt der so präparierten Sonde 11 wurde mittels einer Ionenstrahl-Sputtervorrichtung mit einer Dicke von etwa 15 nm mit Gold bedeckt. Der Endabschnitt der Sonde 11 wurde sehr nahe zur Sondenregenerierungselektrode 14 auf solche Weise positioniert, daß ein Tunnelstrom dazwischen erzeugt wurde. In diesem Zustand wurde der Abstand beider mittels des erfaßten Tunnelstromes präzise auf einen vorbestimmten Wert eingeregelt, und ein Impuls mit einer Dauer von 4 µs und einer Amplitude von 4 V wurde zwischen die Sonde 11 und die Sondenregenerierungselektrode 14 mittels der Impulsspannungsquelle 22a, 22b angelegt, wodurch - wie in Fig. 9B gezeigt - ein kleiner Fortsatz 13 (13a, 13b) von konischer Gestalt mit einer Höhe von 10 nm und einer Grundfläche von 15 nm² gebildet wurde. Der Mechanismus der Ausbildung dieses Fortsatzes beruht vermutlich auf der Tatsache, daß das Material lokal und unmittelbar durch das Anlegen einer hohen Impulsspannung aufgeschmolzen wird und das geschmolzene Material einer Anziehungskraft zwischen der Sonde und dem Material unterliegt, wodurch infolge des Vorhandenseins eines elektrischen Feldes zwischen der Sonde und der Elektrode ein Haufen gebildet wird. Folglich sind die Materialien für die Sonde, die Sondenabdeckung und die Sondenregenerierungselektrode nicht auf die oben erwähnten beschränkt, sondern können geeignet ausgewählt werden, solange der Schmelzpunkt des Materials der Sonde niedriger als derjenige des Material der Regenerierungselektrode ist.
Obwohl die Amplitude und Dauer des Sondenregenerierungsimpulses in der obigen Beschreibung spezifiziert wurden, sind die Werte dieser Parameter nicht auf die oben genannten beschränkt, sondern können entsprechend den Materialien der Sonde und der Sondenregenerierungselektrode geeignet gewählt werden.
Wie oben erläutert, ist beim Kodierer gemäß der vorliegenden Erfindung, der mit einem internen Sondenregenerierungsmechanismus versehen ist, die Zuverlässigkeit insofern signifikant verbessert, als eine eventuell beschädigte Probe aufleichte Weise und ohne Verschlechterung der Leistung des Kodierers regeneriert werden kann. Hierdurch wird der Nachteil herkömmlicher Anordnungen überwunden, daß eine Messung durch eine eventuelle Beschädigung der Probe be- oder verhindert wird.

Claims

1. Verfahren zum Ausbilden einer Sonde (1, 11) zur Verwendung in einer Apparatur zum Bewirken eines Informationsiesens und/oder -schreibens auf einem Informationsträgerglied (15) mit Hilfe der bei diesem dicht angeordneten Sonde, umfassend die Schritte

- Plazieren einer Elektrode (3, 14) gegenüber einem Teil der Sonde, wo der Endabschnitt (4, 13) auszubilden ist, und

- Anlegen einer Spannung an den einen Sondenteil bildenden Endabschnitt und die Elektrode, um dadurch den Endabschnitt der Sonde auszubilden,

gekennzeichnet durch

- Nachweisen einer Information über den Abstand zwischen dem einen Sondenteil bildenden Endabschnitt und der Elektrode,

- Steuern der Relativposition des einen Sondenteil bildenden Endabschnitts gegenüber der Elektrode, und zwar beruhend auf dem Resultat des Nachweises, so daß der Abstand zwischen Sonde (1, 11) und Elektrode (3, 14) genau auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird,

- Versehen der Elektrode mit einem vorspringenden Teil (31) an einer Stelle dicht bei dem den Endabschnitt bildenden Teil (4, 13) der Sonde, und

- Ausbilden des Endabschnitts der Sonde durch Umformen des Sonden- Endabschnitts in einem Zustand ohne anderweitige Erwärmung als durch die Spannungszufuhr zur Sonde und Elektrode.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem

- der einen Teil der Sonde (1, 11) bildende Endabschnitt (4, 13) aus einem leitenden Material aufgebaut wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem

- der Schmelzpunkt der Elektrode (3, 14) höher ist als der des einen Teil der Sonde (1, 11) bildenden Endabschnittes (4, 13).

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem

-der einen Teil der Sonde (1, 11) bildende Endabschnitt (4, 13) zur Bildung eines kleinen Vorsprungs durch die Spannungszufuhr aufgeschmolzen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem

- die Relativpositionssteuerung so durchgeführt wird, daß der einen Teil der Sonde (1, 11) bildende Endabschnitt (4, 13) und die Elektrode (3, 14) bei einem Abstand gehalten werden, bei dem ein Tunnelstrom zu fließen vermag.

6. Apparatur zum Ausbilden einer Sonde (1, 11) zur Verwendung in einer Apparatur zum Bewirken eines Informationslesens und/oder Informationsschreibens auf einem Informationsträgerglied (15) mit Hilfe der dicht hierbei angeordneten Sonde, umfassend

- eine Elektrode (3, 14) zum Anlegen einer Spannung an einen Teil der Sonde, wo der Endabschnitt (4, 13) auszubilden ist, und

- eine Sondenendabschnitt-Ausbildungseinrichtung (7) zum Ausbilden des Endteils der Sonde durch Anlegen einer Spannung an den einen Sondenteil bildenden Endabschnitt und die Elektrode unter Relativpositionssteuerung durch die Positionssteuereinrichtung,

gekennzeichnet durch

- eine Nachweiseinrichtung (9) zum Nachweisen einer Information über den Abstand zwischen der Elektrode und dem einen Sondenteil bildenden Endabschnitt,

- eine Positionssteuereinrichtung (6) zum Steuern der Relativposition des einen Sondenteil bildenden Endabschnitts gegenüber der Elektrode, und zwar beruhend auf dem Ergebnis eines Nachweises durch die Nachweiseinrichtung, so daß der Abstand zwischen Sonde (1, 11) und Elektrode (3, 14) genau bei einem vorbestimmten Wert gehalten wird,

- wobei die Elektrode (3, 14) versehen ist mit einem vorspringenden Teil (31) an einer Stelle dicht bei dem einen Sondenteil bildenden Endabschnitt, und

- wobei die Sondenendabschnitt-Ausbildungseinrichtung den Endabschnitt der Sonde umzuformen vermag, und zwar in einem Zustand ohne anderweitige Erwärmung als durch die Spannungszufuhr zur Sonde und Elektrode.

7. Apparatur nach Anspruch 6, bei der

- der Schmelzpunkt der Elektrode (3, 14) höher ist als derjenige des einen Sondenteil bildenden Endabschnitts (4, 13).

8. Apparatur nach Anspruch 6 oder 7, bei der

- die Sondenendabschnitt-Ausbildungseinrichtung (7) dafür ausgelegt ist, den einen Teil der Sonde (1, 11) bildenden Endabschnitt (4, 13) durch die Spannungszufuhr aufzuschmelzen, um dadurch einen kleinen Vorsprung auszubilden.

9. Apparatur nach Anspruch 6, 7 oder 8, bei der

- die Nachweiseinrichtung (9) dafür ausgelegt ist, den Tunnelstrom zwischen dem einen Teil der Sonde (1, 11) bildenden Endabschnitt (4, 13) und der Elektrode (3, 15) nachzuweisen, und

- die Relativposition-Steuereinrichtung (6) dafür ausgelegt ist, die Positions- Steuerung derart zu bewirken, daß der einen Sondenteil bildende Endabschnitt und die Elektrode bei einem Abstand gehalten werden, bei dem ein Tunnelstrom zu fließen vermag.

10. Apparatur nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem

- die Elektrode (3, 14) mit einem vorspringenden Teil (31) an einer Stelle dicht bei dem einen Teil der Sonde (1, 11) bildenden Endabschnitt (3, 14) versehen ist.

11. Apparatur zum Bewirken eines Informationsiesens und/oder -schreibens, die mit einer Apparatur wie in einem der Ansprüche 6 bis 10 beansprucht versehen ist.

12. Apparatur nach Anspruch 11, bei der

- die Sonde (1, 11) von einem leitenden Material (2, 12) bedeckt ist.

13. Apparatur nach Anspruch 11 oder 12, bei der

- die Elektrode (3, 14) an einer Stelle gegenüber der Sonde (1, 11) planar ist.

14. Apparatur nach Anspruch 11, 12 oder 13, bei der

- die Elektrode (3, 14) auf derselben Hauptebene wie die des Informationsträgergliedes (15) positioniert ist.

15. Apparatur nach einem der Ansprüche 11 bis 14, des weiteren umfassend

- eine Einrichtung zur Beobachtung der Oberflächengestalt einer als Informationsträgerglied (15) dienenden Probe durch die Sonde (1, 11).

16. Apparatur nach einem der Ansprüche 11 bis 15, des weiteren umfassend

- eine Einrichtung zum Bewirken eines Informationsaufzeichnens und/oder -reproduzierens auf einem als ein Informationsträgerglied (15) dienenden Aufzeichnungsmedium durch die Sonde (1, 11).

17. Apparatur nach Anspruch 16, bei der

- die Elektrode (3, 14) in der Nähe des Aufzeichnungsmediums positioniert ist.

18. Apparatur nach Anspruch 16, bei der

- die Elektrode (3, 14) innerhalb des Aufzeichnungsmediums positioniert ist.

19. Apparatur nach einem der Ansprüche 11 bis 18, des weiteren umfassend

- eine Einrichtung zum mit Hilfe der Sonde erfolgenden Nachweisen von Information auf einer Referenzskala von einer als ein Informationsträgerglied dienenden Skaleneinrichtung, die die Referenzskala besitzt, und zum Messen einer Relativbewegung zwischen Sonde und Skaleneinrichtung, beruhend auf der Information auf der Referenzskala.