DE69325860T2

DE69325860T2 - Informationsverarbeitungsgerät mit Multisondensteuerung

Info

Publication number: DE69325860T2
Application number: DE69325860T
Authority: DE
Inventors: Katsunori Hatanaka; Takahiro Oguchi; Kunihiro Sakai; Shunichi Shido; Akihiko Yamano
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-09-10
Filing date: 1993-09-09
Publication date: 2000-03-09
Anticipated expiration: 2013-09-10
Also published as: JP3246987B2; EP0587165A2; DE69325860D1; EP0587165B1; ATE183012T1; JPH06208735A; EP0587165A3; US5471458A

Description

Eine Informationsverarbeitungsvorrichtung eines Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Geräts zum Schreiben oder zum Lesen von Information auf ein bzw. von einem Medium, welches einer Mehrzahl von Sonden gegenübersteht, durch physikalische Wechselwirkung, z. B. ein Rastertunnelmikroskop (STM; Scanning Tunneling Miscroscope) oder dergleichen, insbesondere geht es um eine Steuerschaltung für eine Mehrzahl von Sonden.

Einschlägiger Stand der Technik

In den vergangenen Jahren wurde ein Rastertunnelmikroskop (im folgenden mit STM abgekürzt) entwickelt, welches direkt eine Elektronenstruktur von Oberflächenatomen eines Leiters beobachten kann (G. Binnig et al., "Phys. Rev. Lett.", 49, 57, 1982). Es läßt sich ein Bild im realen Raum bei hoher Auflösung messen, ungeachtet ob es sich um eine monokristalline oder eine amorphe Struktur handelt.
Das STM nutzt ein Phänomen, und auch dann, wenn zwischen eine Metallsonde (Sondenelektrode) und ein leitendes Material eine Spannung gelegt wird und die Sonde bis auf einen Abstand von etwa 1 nm angenähert wird, ein Tunnelstrom fließt. Der Tunnelstrom ist äußerst empfindlich gegenüber einer Abstandsänderung zwischen Sonde und Material. Durch abtastendes Führen der Sonde unter Konstanthaltung des Tunnelstroms lassen sich verschiedene Arten von Information über eine gesonderte Elektronenwolke im realen Raum ermitteln. Hierbei beträgt die Auflösung in der Ebenenrichtung etwa 0,1 nm.
Indem man das Prinzip des STM anwendet, läßt sich eine hochdichte Aufzeichnung oder Wiedergabe in der Größenordnung von Atomen (Sub-Nanometer-Bereich) in zu friedenstellender Weise ausführen. Beispielsweise werden in einer Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Vorrichtung, wie sie in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 61- 80536 offenbart ist, Atomteilchen, die an der Mediumoberfläche adsorbiert sind, von einem Elektronenstrahl oder dergleichen beseitigt, und von dem STM werden Daten geschrieben und Daten wiedergegeben.
Außerdem wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine Dünnfilmschicht aus einem Material mit Speichereffekt mit einer Spannungs-Strom-Umschaltkennlinie, beispielsweise eine organische Verbindung des π-Elektronensystems oder eine Verbindung der Erzbildner-Klasse als Aufzeichnungsschicht verwendet wird, wobei eine Aufzeichnungs- oder Wiedergabe-Operation mit Hilfe des STM durchgeführt wird (japanische Patent-Offenlegungsschrift 63-161552, japanische Patent-Offenlegungsschrift 63-161553).
Wenn man bei einem solchen Verfahren von einer Größe eines Aufzeichnungsbits von 10 nm ausgeht, läßt sich eine Aufzeichnung oder Wiedergabe hoher Kapazität von 1.012 bits/cm² erreichen. Außerdem wurde zum Zweck der Miniaturisierung eine Vorrichtung vorgeschlagen (japanische Patent-Offenlegungsschrift 1-196751), bei er eine Mehrzahl von Sonden auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind und eine Verlagerung in einem diesen Sonden gegenüberliegenden Aufzeichnungsmedium erfolgt, um Daten aufzuzeichnen. Beispielsweise sind bei einem Mehrfachsondenkopf 2.500 Sonden auf einem Siliziumchip mit einer quadratischen Größe von 1 cm² in Form einer Matrix mit (50 · 50) Sonden angeordnet, die oberhalb eines den Speichereffekt aufweisenden Materials in Kombination angeordnet sind, so daß digitale Daten im Umfang von 400 Mbits pro Sonde, insgesamt entsprechend einer Kapazität von 1 Tbits, aufgezeichnet oder reproduziert werden können.
Bei diesem Beispiel wird ein Verfahren betrachtet, bei dem jede Sonde in Form eines Freiträgers mit einer Länge von einigen hundert um ausgebildet und betrieben wird. Bislang gibt es als Verfahren zur Herstellung eines solchen freitragenden Trägers ein Verfahren, bei dem ein Halbleiterprozeß angewendet wird und eine Bearbeitungsme thode genutzt wird, mit deren Hilfe ein Feinbearbeitungsprozeß auf einem Substrat erfolgt, wodurch ein Freiträger mit einer Mehrschichtstruktur, beispielsweise eine dünne piezoelektrische Schicht, eine Metallschicht oder dergleichen gebildet wird (verwiesen sei auf T. R. Albrecht et al., "Microfabrication of Integrated Scanning Tunneling Microscope", Proceedings of 4th International Conference an Scanning Tunneling Microscope/Spectroscopy, 1990.).
Eine solche Informationsverarbeitungsvorrichtung mit Ausnutzung des Tunnelstroms oder eines Feldstrahlenstroms besaß die Funktion, den Abstand zwischen Sonde und Probe konstant zu halten. Eine Signalverarbeitungsschaltung der Informationsverarbeitungsvorrichtung mit einer solchen Funktion ist beschrieben in beispielsweise "Nikkel Microdevice", Vol. November, Seiten 81 bis 97, 1986. In einer solchen Signalverarbeitungsschaltung wird unter Ausnutzung des Umstands, daß der Tunnelstrom durch folgende Gleichung ausgedrückt wird
I = EXP(-K · z)
mit I: Tunnelstrom
z: Abstand zwischen Sonde und Probe
K: Konstante
der nachgewiesene Tunnelstrom logarithmisch-umgesetzt und an eine Regelschaltung gegeben, und der Abstand zwischen Sonde und Probe wird auf der Grundlage eines Ausgangssignals der Regelschaltung so gesteuert, daß der Tunnelstrom konstant gehalten wird. In der obigen Gleichung ist der konstante Wert K ein Wert, in dem sich die Arbeitsfunktion der Sondenspitze und der Probe widerspiegelt. Es ist bekannt, daß der Wert der Arbeitsfunktion der STM-Sonde sich abhängig von einer Kontaminierung oder dergleichen der Sonde ändert ("Journal of Miscroscopy", Vol. 152, Pt1, Seiten 129 bis 135, 1988).
Allerdings gibt es folgende Probleme, wenn der Mehrfachsonden-Kopf mit einer Mehrzahl von Sonden und das dem Kopf gegenüberstehende Medium tatsächlich kombiniert und ein Informationsprozeß durchgeführt wird, wie z. B. eine Aufzeichnung, eine Wiedergabe oder dergleichen.
(1) Wenn der Informationsprozeß ausgeführt wird, beispielsweise eine Aufzeichnung, eine Wiedergabe oder dergleichen stattfindet, muß der Abstand (in Z- Richtung) zwischen jeder Sonde des Mehrfachsonden-Kopfs und dem ihr gegenüberstehenden Medium präzise gesteuert werden. Zu diesem Zweck wird ein Verfahren eingesetzt, bei dem beispielsweise ein Steuersystem für die Steuerung des Abstands zwischen Sonde und Medium in Z-Richtung für jede Sonde vorgesehen ist und ein Steuerabschnitt, der das Steuersystem enthält, außerhalb des Sondenkopfs angeordnet ist. Obschon in diesem Fall der Mehrfachsonden-Kopf baulich klein gestaltet werden kann, gibt es Probleme insofern, als der Steuerabschnitt, der sich außerhalb der Vorrichtung befindet, in seinem Volumen entsprechend der Anzahl von Sonden zunimmt und es schwierig ist, eine kleinbauende Informationsverarbeitungsvorrichtung zu realisieren, die die Besonderheiten des STM in vorteilhafter Weise nutzt.
(2) Im Fall der Ausbildung mehrerer Sonden durch einen Feinbearbeitungsprozeß wie z. B. ein IC-Verarbeitungsprozeß oder dergleichen, läßt sich das Auftreten einer Schwankung im Bearbeitungsfalle nicht vermeiden. Eine derartige Schwankung im Arbeitsprozeß ruft beispielsweise eine Änderung der Versetzungs-Empfindlichkeit eines Aktuators hervor, beispielsweise eines piezoelektrischen Freiträgers oder dergleichen, oder aber eine Schwankung der Empfindlichkeit der Sondenspitze, die sich als Änderung in der Bearbeitungs- Funktion niederschlägt, so daß es schwierig ist, eine Mehrzahl von Sonden zu beherrschen. In einer Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung wie z. B. einem STM oder dergleichen, wird eine Schwankung in der Helligkeitsänderung des konkaven/konvexen Oberflächensignals jeder Sonde verursacht. In einer Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Vorrichtung erfolgt eine Schwankung in der Ampli tude eines Wiedergabesignals für jede Sonde, so daß es zu einem Wiedergabefehler kommt.
Die EP-A-0 271 230 offenbart eine Vorrichtung zur Vorverarbeitung von Sensordaten, die Messungen eines physikalischen Parameters eines geprüften Materials repräsentieren. Als Sensor wird ein CCD-Array mit mehreren Pixeln verwendet, die jeweils einen Sensordatenwert erfassen. Die ermittelten Sensordaten werden von einem Paar Referenzdaten kalibriert. Für jedes Pixel des CCD-Arrays ist ein separates Paar von Referenzdatenwerten vorhanden.
Die EP-A-0 325 056 offenbart eine Datenspeichervorrichtung unter Einsatz eines STM.
Die EP-A-0 263 305 offenbart eine Schaltung zum Korrigieren von Sensorsignalen, die durch mehrere Sensorelemente erhalten werden. Die Korrekturwerte dienen zum Einstellen der Verstärkung eines Verstärkers für jedes Sensorsignal, da die verschiedenen Sensorelemente unterschiedliche Empfindlichkeiten besitzen.
Die vorliegende Erfindung basiert auf den obigen Problemen herkömmlicher Methoden, wie sie vorstehend erläutert wurden. Es ist ein Ziel der Erfindung, eine kleine Steuerschaltung für eine Mehrfachsondenanordnung hoher Genauigkeit zu schaffen, um unterschiedliche Arten von Informationsverarbeitungsvorrichtungen zu realisieren.
Erreicht wird dieses Ziel durch die Merkmale des Anspruchs 1 und durch die Merkmale des Anspruchs 5.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Diagramm eines Beispiels für einen Aufbau einer Steuerschaltung einer Mehrfachsonde gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Steuersystems für die Steuerschaltung in Fig. 1;
Fig. 3 ein Diagramm, welches den Aufbau einer Ausführungsform einer Informationsverarbeitungsvorrichtung zeigt, die die in Fig. 1 und 2 dargestellte Steuerschaltung und Mehrfachsonde enthält und ein STM verwendet;
Fig. 4A ein Diagramm des Aufbaus einer Sonde eines Mehrfachsonden-Kopfs;
Fig. 4B eine Querschnittansicht entlang der Linie A-B in Fig. 4A;
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform dieser Erfindung in Form eines schematischen Diagramms einer Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Vorrichtung mit der in Fig. 1 gezeigten Mehrsonden-Steuerschaltung;
Fig. 6 ein Diagramm eines Beispiels für den Aufbau einer Mehrsonden-Steuerschaltung der dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 ein Diagramm des Aufbaus eines Rastertunnelmikroskops mit der in Fig. 6 gezeigten Steuerschaltung;
Fig. 8A ein vergrößertes Diagramm eines Teils in der Nähe einer Sonde des Mehrsonden-Kopfs nach Fig. 7;
Fig. 8B eine Querschnittansicht entlang der Linie A-B in Fig. 8A;
Fig. 9 ein Diagramm des Aufbaus einer Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 10 ein Diagramm des Aufbaus einer in Fig. 9 verwendeten Mehrsonden-Steuerschaltung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

(Ausführungsform 1)

Fig. 1 ist ein Diagramm eines Beispiels für den Aufbau einer Steuerschaltung für eine Mehrfachsonde gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Die für die Ausführungsform dargestellte Steuerschaltung bezieht sich auf eine Schaltung zum Steuern des Abstands zwischen einer Mehrzahl von Sonden, die einen Tunnelstrom nachweisen, und einen den Sonden gegenüberliegenden Medium.
Bei dieser Ausführungsform gibt es ein digitales Regelsystem, welches in der Weise arbeitet, daß ein Regelstromsignal von jeder Sonde unter Verwendung einer Steuer- CPU 114 umgesetzt wird in ein digitales Steuersignal, und ein Steuersignal zum sequentiellen Steuern jeder einzelnen Sonde in Z-Richtung aus dem digitalen Signal mit einem zeitlichen Ablauf von der Steuer-CPU 114 erzeugt wird.
Die Z-Richtungs-Steuerung der Mehrfachsonde wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 1 im einzelnen erläutert.
Jede der mehreren Sonden 101&sub1;, 101&sub2;, ... 101n, die zu der Mehrfachsonde 101 gehört, ist an einer Auswahlschaltung 102 angeschlossen. Nach Maßgabe eines von der Steuer-CPU 114 abgegebenen Zeitsteuersignals wählt die Auswahlschaltung 102 eine der Sonden 101&sub1; bis 101n aus, beispielsweise die n-te Sonde. Ein Tunnelstromsignal In, welches von der ausgewählten n-ten Probe erfaßt wird, wird in einen Spannungswert umgesetzt und anschließend von einem A/D-Wandler 103 in einen Digitalwert In(t) umgewandelt. (t) bezeichnet eine vorbestimmte Abtastzeit.
Das digitale Tunnelstromsignal wird von einem logarithmischen Wandler 104 in ein lineares Signal entsprechend dem Abstand zwischen Sonde und Medium umgesetzt (im Diagramm: logIn(t)). Das Ausgangssignal des logarithmischen Wandlers 104 wird an einen Vergleicher 105 gegeben, von dem es mit einem Sollwert einer Regelschaltung verglichen wird. Ein Fehlersignal (im Diagramm: errn(t)) wird von dem Vergleicher 105 abgegeben. Bei diesem Beispiel addressiert die Steuer-CPU 114 einen Speicher 111 entsprechend der Zahl der ausgewählten Sonde. Ein Kompensationswert (g1 bis gn) entsprechend der Sondennummer wird von dem Speicher 111 an eine Kompensationsschaltung 106 gegeben.
Die Kompensationsschaltung 106 multipliziert den Kompensations-Koeffizienten gn im Speicher 111 mit dem Ausgangssignal errn(t) von dem Vergleicher 105, um dadurch ein Kompensationsfehlersignal zu erhalten (im Diagramm: en(t)). Das Bezugszeichen 107 bezeichnet eine Steuerschaltung zum Erstellen eines Abstandsteuersignals (im Diagramm: en(t)), um das Kompensations-Fehlersignal zu Null zu machen. Genauer gesagt: Ein PI-Regler (Proportional + Integral) dient als Regelschaltung 107. Der PI-Regler 107 erzeugt ein neues Abstand-Steuersignal Un(t) zu einem Zeitpunkt (t) auf dem Abstand-Steuersignal und dem Kompensations-Fehlersignaldaten zu einem Abtastzeitpunkt (t-1), die in Speichern 112 und 113 abgespeichert sind, sowie aus dem Kompensations-Fehlersignal en(t) zur Abtastzeit (t). Gleichzeitig aktualisiert der PI-Regler 107 die Werte in den Speichern 112 und 113.
Das Abstand-Steuersignal Un(t) wird von einem D-/A-Wandler 108 wieder in ein Analogsignal umgesetzt. Im Anschluß daran gelangt das Analogsignal über eine Schaltvorrichtung 109 an einen (nicht-gezeigten) Aktuator, um die Sonde mit der entsprechenden Nummer in Z-Richtung zu treiben. Die Steuer-CPU 114 schaltet die auszuwählende Sonde sequentiell durch und führt eine Z-Richtungssteuerung für sämtliche Sonden durch. Der Aktuator wird für eine Zeitspanne im Anschluß an einen Zeitpunkt, zu dem das Signal an den Aktuator angelegt wurde, bis zu einem Zeitpunkt, zu dem das Signal erneut an den selben Aktuator gelangt, in einen schwimmenden Zustand. Für diese Zeitspanne wird die Steuerspannung von einer Kapazität zwischen den Elektroden des Aktuators gehalten, so daß eine Verlagerung des Aktuators aufrecht erhalten bleibt.
Jede der oben angesprochenen digitalen arithmetischen Operations-/Wandler- Schaltungen 103 bis 108 läßt sich bei einer ausreichend hohen Geschwindigkeit betreiben, die schneller ist als die Abtastzeitspanne. Allerdings ist es auch möglich, eine sogenannte Pipeline-Verarbeitung durchzuführen, gemäß der ein Datenspeicher für jede arithmetische Operation vorgesehen ist. Durch Anwendung des Pipelineprozesses läßt sich jede der Operations-/Wandler-Schaltungen 103 bis 108 in ihrer Betriebsfrequenz auf die Abtastfrequenz absenken, so daß Größe und Kosten der Schaltung verringert werden können.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystems in der in Fig. 1 gezeigten Steuerschaltung.
Obschon das in Fig. 1 gezeigte Steuersystem ein digitales Regelsystem ist, besteht die Möglichkeit, das Regelsystem einem analogen Regelsystem anzunähern, weil das Abtastintervall im allgemeinen einigen us entspricht und ausreichend kleiner ist als das des Steuersignalbandes. Die Arbeitsweise der Kompensationsschaltung nach Fig. 1 wird im folgenden detailliert unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert.
200 Ga(s) bezeichnet einen Block mit einer Umwandlungskennlinie für eine Versetzung der Mehrfachsonden in Abhängigkeit des Tunnelstroms. 201 Gb(s) bezeichnet einen Block mit einer Wandlerkennlinie des logarithmischen Wandlers. 202 Gc(s) bezeichnet einen Block einer Kompensationsschaltung. 203 Gd(s) bezeichnet einen Block des PI-Reglers und 204 Ga(s) bezeichnet einen Block mit einer Wandlerkennlinie zum Umwandeln der Spannung in Z-Treiberrichtung des Geräts der Mehrfach- sonde in Abhängigkeit der Versetzung. VB bezeichnet eine Vorspannung zwischen Sonde und Medium; 1 bis n bezeichnen Arbeitsfunktionswerte der Sonden, G1(s) bis Gn(s) bezeichnen besondere Kennlinien der Spannung in Z-Treiberrichtung jeder Mehrfachsande in Abhängigkeit der Versetzung, und a, Kp und Ki sind Konstanten.
Wie oben angesprochen, kommt es bei einer Mehrzahl von Sonden zu einer Schwankung in der Versetzungsempfindlichkeit der Z-Treibereinrichtung für die Sondenspitze. Was schwankt, ist der Wert der Arbeitsfunktion. Die Arbeitsfunktionswerte 1 bis n und die Wandlerkennlinie für die Spannung der Z-Treibereinrichtung in Abhängigkeit der Versetzung, nämlich G1(s) bis Gn(s) schwanken von Sonde zu Sonde.
Betrachtet man hierzu in der geschlossenen Schleife der Fig. 2 die Übertragungskennlinien zwischen dem Ausgang Un des PI-Reglers 203 in Bezug auf das Ausgangssignal Vn des logarithmischen Wandlers 201, so ergibt sich folgende Aussage:
Vn = Gb(s) · Ga(s) · Gels) · Un
= log10{VB · exp(-a · n1/&sub2; · Gn · Un)}
= A · n1/&sub2; · Gn · Un + B
(A und B sind Konstanten)
D. h.: Schwankungen von und G jeder Sonde führen zu einer Verstärkungsänderung der Übertragungskennlinie der geschlossenen Schleife. Wenn in diesem Zustand von dem PI-Regler 203 eine Regelung durchgeführt wird, unterscheidet sich die Ansprechfrequenz der Regelung in Abhängigkeit der jeweiligen Sonde. Deshalb wird bei dieser Ausführungsform die Verstärkungsänderung kompensiert durch die Kompensationsschaltung 202. Ein Fehlersignal nach Beendigung der Kompensation gelangt an den PI-Regler 203, so daß eine Regelung für sämtliche Sonden mit ähnlicher Genauigkeit durchgeführt wird.
Wie oben angesprochen, wird in der Kompensationsschaltung 202 ein für jede Sonde unterschiedlicher Koeffizient (gn) mit dem Ausgangssignal des Vergleichers modifiziert. Im folgenden wird ein Meßverfahren des Koeffizienten beschrieben.
In einem Zustand, in welchem die Tunnelströme von sämtlichen Sonden ermittelt werden können, erzeugt die Steuer-CPU 114 ein Z-Modulationssignal mit einer Frequenz, die gleich oder kleiner ist als die Ansprechfrequenz der Z-Treibereinrichtung, und sie moduliert sämtliche Sonden in Z-Richtung (ΔUn). Hierbei wird das Ausgangssignal (ΔVn) des logarithmischen Wandlers für jede Sonde überwacht. Für jede Sonde wird die Transferkennlinie Gmulti (= ΔVn/ΔUn) des Ausgangssignals des logarithmischen Wandlers aus dem Ausgangssignal Un des PI-Reglers gemessen. Die Koeffizienten der Kompensationsschaltung werden so festgelegt, daß die Werte Gmulti für sämtliche Sonden konstant gehalten werden.
Fig. 3 ist ein Diagramm, welches den Aufbau einer Ausführungsform der Informationsverarbeitungsvorrichtung zeigt, die die Steuerschaltung und die Mehrfachsondenanordnung gemäß obigen Angaben enthält und ein STM verwendet.
Bezugszeichen 301 bezeichnet einen Mehrsonden- oder Mehrfachsonden-Kopf. Anhand der Fig. 4A und 4B wird ein Verfahren zum Herstellen des Mehrsondenkopfs 301 beschrieben.
Fig. 4A zeigt die Struktur einer Sonde des Mehrsonden-Kopfs. Fig. 4B zeigt eine Querschnittansicht entlang der Linie A-B in Fig. 4A.
In den Darstellungen bezeichnet das Bezugszeichen 401 ein Si-Substrat, die Bezugszeichen 402 und 408 bezeichnen SiNx-Schichten, 403, 405 und 407 bezeichnen Treiberelektroden, 404 und 406 bezeichnen piezoelektrische Dünnschichten; 409 bezeichnet die Spitze der Sonde, und 410 bezeichnet eine Elektrode für die Spitze.
Der in Fig. 4A beigestellte Freiträger besitzt eine bimorphe Struktur. Durch Anlegen einer Spannung an den Freiträger wird dieser aufgrund eines umgekehrten piezoelektrischen Effekts verformt. Ein Herstellungsverfahren für den Freiträger wird im folgenden beschrieben.
Als erstes wird ein Si&sub3;N&sub4;-Film mit einer Dicke von 0,15 um auf einem Si(100)- Substrat (mit einer Dicke von 0,5 um) mit Hilfe eines CVD-Verfahrens gebildet. Es werden Materialgase aus SiH&sub2;C&sub1;&sub2; : NH&sub3;(1 : 9) eingesetzt. Die Substrattemperatur wird auf 800ºC eingestellt. Der Si&sub3;N&sub4;-Film wird durch Photolithographie und CF&sub4;-Trockenätzen mit einem gewünschten Muster versehen. Anschließend werden ein Cr- Film mit einer Dicke von 0,01 um und eine Au-Schicht mit einer Dicke von 0,09 um gebildet und mittels Photolithographie und Naßätzung mit einem Muster ausgestattet.
Eine piezoelektrische Dünnschicht auf AlN mit einer Dicke von 0,3 um wird durch ein Sputter-Verfahren gebildet. Al wird aus Target genommen, und in einer Atmosphäre aus Ar + N2 wird die AlN-Dünnschicht getuckert. Außerdem wird mittels Photolithographie und Naßätzung unter Verwendung eines Ätzmittels für Al die AlN- Dünnschicht mit einem Muster versehen. Im Anschluß daran werden die obigen Prozesse wiederholt, um auf diese Weise eine bimorphe Struktur aus Si-Substrat - Au/Cr - AlN - Au/Cr - AlN - Au/Cr zu bilden. Außerdem wird mittels CVD-Verfahren eine amorphe SiN-Schicht mit einer Dicke von 0,15 um als Schutzschicht gebildet. Im Anschluß daran wird durch Aufdampfen eine Wolfram-(W-)Spitze gebildet. Bereiche ohne Si&sub3;N&sub4; werden durch anisotropes Ätzen von Si mit Hilfe von KOH beseitigt, um dadurch einen Freiträger oder freitragenden Träger zu bilden. Schließlich wird die W-Spitze mit Pt überzogen. Die Abmessungen eines Freiträgers betragen 700 um (Länge) · 230 um (Breite) bei einer Resonanzfrequenz in Z-Richtung von 3,3 kHz und einem mittleren Versetzungshub durch die bimorphe Struktur bei Anlegen einer Spannung von 1 V von 1,75 um. Auf einem Si-Wafer werden insgesamt 25 (5 · 5) Sonden von einem derartigen Freiträger-Typ in Matrixform hergestellt, außerdem wird ein Tunnelstrom-Nachweisverstärker in der Nähe der Freiträger-Sonden auf dem Si-Wafer mit Hilfe eines IC-Prozesses gebildet, um dadurch den Mehrsonden-Kopf 301 zu erhalten. Die Versetzungsempfindlichkeiten von 25 Sonden wurden mit einem optischem Verfahren gemessen, um eine Verifizierung von etwa 20% zu erhalten.
Im folgenden wird noch einmal unter Bezugnahme auf Fig. 3 das STM beschrieben. Bezugszeichen 302 bezeichnet eine zu beobachtende Probe. Der Mehrsonden-Kopf 301 liegt der Probe 302 nahe gegenüber. Der Kopf 301 ist an einem Aktuator 303 als Feinbewegungsmechanismus und außerdem an einer Struktur 309 angebracht. Der Aktuator 303 wird von einem Aktuator-Steuersignal S31 gesteuert, welches von einer Steuerschaltung 305 erzeugt wird.
Wenn die Oberfläche beobachtet wird, wird in einem Zustand, in welchem eine Vorspannung zwischen dem Mehrsonden-Kopf 301 und die Probe 302 gelegt wurde, der Aktuator 303 unter Korrektur einer Neigung bewegt. Der Kopf 301 wird der Probe 302 bis auf eine Distanz angenähert, in der von sämtlichen Sonden ausgehend, ein Tunnelstrom fließt. Außerdem wird eine Regelung durch eine Z-Richtungs- Steuerschaltung 304 vorgenommen, die bereits oben im einzelnen in Fig. 1 erläutert wurde, damit der Abstand zwischen sämtlichen Sonden und der ihnen gegenüberstehenden Probe 302 konstant gehalten wird. In diesem Zustand erzeugt die Steuerschaltung 305 ein XY-Abtastsignal S32. Das XY-Abtastsignal S32 wird an einen XY-Abtastmechanismus 310 gegeben, der an der Struktur 309 befestigt ist, um dadurch eine Basisplatte 307, auf der sich die Probe 302 befindet, zweidimensional zu überstreichen. Hierbei wird ein Tunnelstrom nachgewiesen, der sich entsprechend den mikro-konkaven und -konvexen Bereichen der Oberfläche der Probe 302 ändert. Der nachgewiesene Tunnelstrom wird an die Steuerschaltung 305 gesendet und synchron mit dem XY-Abtastsignal S32 verarbeitet, um von 25 Sonden STM- Bilder zu gewinnen.
Außerdem werden die STM-Bilder einer Bildverarbeitung unterzogen, beispielsweise einer zweidimensionalen FFT oder dergleichen, und sämtliche 25 Bildebenen der verarbeiteten STM-Bilder werden synthetisiert und auf einer Anzeigevorrichtung 308 dargestellt. Wenn sich die Betrachtungsposition ändert, wird die Probe in XY- Richtung mit Hilfe eines XY-Grobbewegungsmechanismus (nicht dargestellt) bewegt, und der Mehrsonden-Kopf 301 wird zu einer gewünschten Zone bewegt, um dadurch die Beobachtung vorzunehmen.
Bei dieser Ausführungsform wird das von dem Kopf 301 kommende Tunnelstromsignal durch die Z-Richtungs-Steuerschaltung 304 kompensiert, so daß eine Z-Richtungssteuerung erfolgt. Die Kompensationsdaten zum Ausführen der Z-Richtungssteuerung sind in einem Speicher 310 gespeichert, und es erfolgt die Z-Steuerung, wie sie in Verbindung mit Fig. 1 erläutert wurde. Um bei dieser Ausführungsform die exakten Kompensationsdaten zu erhalten, die nicht durch mikro-konkave und -konvexe Bereiche der Oberfläche der Probe beeinflußt sind, wird der Mehrsonden- Kopf einer Standard-Probe gegenübergestellt, beispielsweise HOPG, Si oder dergleichen, die in einem großen Bereich flach ist, bevor dann die zu beobachtende Fläche der Probe betrachtet wird. Sämtliche Sonden werden in Z-Richtung (ΔUn) auf der Standardprobe moduliert. Dabei wird das Tunnelstromsignal von jeder Sonde und außerdem das Ausgangssignal des logarithmischen Wandlers (ΔVn) überwacht. Die Transferkennlinie Gmulti (ΔVn/ΔUn) des Ausgangssignals des logarithmischen Wandlers wird auf dem Ausgangssignal Un des PI-Reglers für jede Sonde gemessen, um dadurch den Kompensationsbetrag zu ermitteln. Auf diese Weise werden von sämtlichen Sonden nahezu die gleichen STM-Bilder gewonnen, ohne daß diese durch eine Schwankung der Versetzungsempfindlichkeit von etwa 20% beeinflußt sind.
Durch Verwendung des Rastertunnelmikroskops gemäß der Erfindung läßt sich der Mehrsonden-Kopf mit einer Mehrzahl von Sonden durch eine kleine Steuerschaltung steuern, und die Oberfläche einer Sonde läßt sich großflächig innerhalb kurzer Zeit beobachten.
Da der im Rahmen der Erfindung verwendete Freiträger durch Laminieren der piezoelektrischen Dünnschicht aus AlN, ZnO oder dergleichen und der metallischen Dünnschicht hergestellt wird, kommt es bei Anlegen einer Spannung von einigen V leicht zu einem Spannungsdurchbruch, und folglich kommt es leicht zu einer Zerstörung der Dünnschicht aufgrund der statischen Elektrizität, einer Rufladung oder dergleichen. Bei der Korrektur der Verstärkung durch den Eingangsabschnitt des Regelsystems wie bei dieser Ausführungsform ergibt sich ein Effekt, der für diese Ausführungsform einzigartig ist, nämlich der, daß mehrere Sonden gesteuert werden können, ohne daß es zu einem bi-elektrischen Durchbruch in dem Aktuator kommt.
Bei dieser Ausführungsform wurde als Z-Richtungs-Aktuator der Freiträger-Aktuator eingesetzt, der den umgekehrten piezoelektrischen Effekt des piezoelektrischen Bauelements nutzt. Allerdings ist der Aktuator nicht auf einen derartigen Typ beschränkt. Beispielsweise besteht auch die Möglichkeit, einen Aktuator einzusetzen, der eine elektrostatische Kraft nutzt. Andererseits kann anstelle des STM's ein Zwischenatomkraft-Mikroskop (AFM; Interatomic Force Microscope) mit einer Mehrfachsonde verwendet werden, und das AFM kann auch in Verbindung mit der Schaltung eingesetzt werden, die eine Schaltung zum Korrigieren von Schwankungen der Elastizitätskonstanten bei Sonden aufweist und den Abstand zwischen Sonde und Probe regelt.
Erfindungsgemäß ist die Schaltung zum Einstellen der Regelschleifenverstärkung der Z-Regelschaltung als Kompensationsschaltung aufgebaut. Allerdings ist der Gegenstand der Einstellung nicht auf die Verstärkung beschränkt, es ist vielmehr ebenfalls möglich, eine Filterschaltung zu entwerfen, um die Transienten-Kennlinie der Verlagerung aufgrund einer Schwankung des mechanischen Q-Werts des Aktuators als Regelgröße zu kompensieren, oder man kann eine Kompensationsschaltung für eine Phasenkompensation oder dergleichen verwenden. Um für eine Kompensation von Schwankungen der Verzierung des Freiträgers zu sorgen, kann man auch eine Schaltung zum Multiplexen eines Offset-Werts vorsehen, entsprechend dem Ausmaß der Verzierung jedes einzelnen Freiträgers, wobei diese Maßnahme auf ein Eingangssignal des D-/A-Wandlers 108 angewendet wird, um dadurch eine Kompensation zu erhalten.

[Ausführungsform 2]

Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm der zweiten Ausführungsform einer Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Vorrichtung als Informationsverarbeitungsvorrichtung gemäß der Erfindung.
In der Skizze bedeutet das Bezugszeichen 501 ein Aufzeichnungsmedium. Ein Mehrsonden-Kopf 502 ähnlich dem im Ausführungsbeispiel 1 gezeigten Kopf steht dem Aufzeichnungsmedium 501 nahe gegenüber. Der Kopf 502 ist an einem Feinbewegungsmechanismus befestigt, beispielsweise einem (nicht gezeigten) gestapelten piezoelektrischen Bauelement oder dergleichen. Der Feinbewegungsmechanismus ermöglicht dem Kopf 502, sich dem Aufzeichnungsmedium 501 anzunähern.
Bezugszeichen 503 bezeichnet eine XY-Abtastschaltung, 504 und 505 sind Aktuatoren zum Treiben einer Bühne 506, auf der sich das Aufzeichnungsmedium 501 befindet, in X- bzw. Y-Richtung, und 507 ist eine Steuerschaltung zum Durchführen der Dateneingabe-/-ausgabe-Operationen und zur Z-Richtungssteuerung jeder Sonde.
Als Speichermedium 503 wurde ein Speichermedium verwendet, bei dem ein Material mit Speichereffekt mit Spannungs-Stromumschaltkennlinie auf einem Substrat aufgebracht war. Bei der Ausführungsform wurde auf einem flachen Substrat aus z. B. Glas, Glimmer oder dergleichen ein Metallsubstrat durch epitaktisches Wachstum gebildet. Als Material mit Speichereffekt mit Spannungs-Stromumschaltkennlinie wurde auf dem Substrat Squarillium-bis-6-Octylazulen verwendet. Auf einer Substratelektrode wurde nach dem Langmuir-Blodgett-Verfahren (LB-Verfahren) eine akkumulierte Schicht aus zwei Lagen von monomolekularen Tönen gebildet. Eine konkave Nut oder ein Spurmuster 508 mit verschiedenen Oberflächen-Elektronenzuständen wurde auf dem Aufzeichnungsmedium 501 eingekerbt. Eine Nachführmuster-Kantenlage wird anhand der Tunnelstromänderung der Sonde von einer Nach führsteuerschaltung 509 erfaßt. Ein Nachführfehler wird durch einen Nachführaktuator 510 korrigiert.
Unter Verwendung des obigen Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Geräts wurden folgende Experimente des Rufzeichnens und der Wiedergabe durchgeführt.
Zwischen dem Mehrsonden-Kopf 502 und das Aufzeichnungsmedium wurde eine Vorspannung von 100 mV gelegt. In diesem Zustand wurde der Kopf 502 von einem Feinbewegungsmechanismus wie z. B. einer (nicht-gezeigten) gestapelten piezoelektrischen Vorrichtung an das Aufzeichnungsmedium 501 bis zu einem Abstand angenähert, bei dem von sämtlichen Sonden Tunnelströme fließen. Außerdem wird mit Hilfe einer Regelung der Abstand zwischen sämtlichen Sonden und dem Aufzeichnungsmedium, das den Sonden gegenüberliegt, durch eine Z-Richtungs- Steuerschaltung innerhalb der Steuerschaltung 507, die bereits im einzelnen in Verbindung mit Fig. 1 erläutert wurde, konstant gehalten. In diesem Zustand erzeugt die XY-Abtastschaltung 503 ein XY-Abtastsignal S51. Das XY-Abtastsignal S51 wird an die Aktuatoren 504 und 505 gelegt, um dadurch die Bühne 506 mit dem darauf befindlichen Aufzeichnungsmedium 501 zweidimensional abzutasten.
Die Aufzeichnung erfolgte folgendermaßen: Eine Regelung wurde in der Weise durchgeführt, daß Tunnelströme von 1 nA von sämtlichen Sonden ausgehend flossen, und der Kopf wurde ausreichend weit an das Aufzeichnungsmedium herangeführt. In diesem Zustand wurde die Sonde zu einer gewünschten Stelle auf dem Aufzeichnungsmedium 501 bewegt. Im Anschluß daran wurde die Vorspannung moduliert, und es wurde eine Impulsspannung von 6 V zwischen Sonde und Aufzeichnungsmedium gelegt, so daß eine Vertiefung mit einem Durchmesser von 10 nm bei einem momentanen Stromfluß von 0,1 uA gebildet (aufgezeichnet) wurde. Nach dem Abtasten des Aufzeichnungsmediums im Anschluß an das Anlegen der impulsförmigen Spannung wurde sein Zustand gehalten (wiedergegeben). Eine Vertiefung mit einem Zustand geringen Widerstands wurde als "1" im Unterschied von einer "0", die einem Zustand hohen Widerstands kennzeichnete, erzeugt. Durch Codieren der Aufzeichnungsdaten mit Hilfe eines Coders in "0" und "1" erfolgt eine binäre Aufzeichnung oder Wiedergabe.
Auch bei dieser Ausführungsform wird das Tunnelstromsignal von der Mehrfachsonde kompensiert, und es erfolgt eine Z-Richtungs-Steuerung. Die Kompensationsdaten wurden für diesen Zweck in einem Speicher 511 abgespeichert. Um bei dieser Ausführungsform die Kompensationsdaten zu gewinnen, werden sämtliche Sonden in Z-Richtung auf dem Aufzeichnungsmedium 501 moduliert (ΔUn), bevor eine Aufzeichnung oder Wiedergabe erfolgt. Dabei wird das Tunnelstromsignal von jeder Sonde und außerdem das Ausgangssignal (ΔVn) des logarithmischen Wandlers überwacht und die Transferkennlinie Gmulti = ΔVn/ΔUn des logarithmischen Wandlers wird anhand des Ausgangssignals Un für jede Sonde des PI-Reglers gemessen, um auf diese Weise einen Kompensationsbetrag zu erhalten.

(Ausführungsform 3)

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer Steuerschaltung einer Mehrfachsonde der dritten Ausführungsform der Erfindung. Bei der Ausführungsform 3 wird das Tunnelstromsignal von jeder Sonde umgewandelt in ein digitales Signal, wozu eine Steuer-CPU 612 und ein digitales Regelsystem zum Erzeugen eines Regelsignals verwendet wird, um sequentiell eine Z-Steuerung für jede Sonde auf der Grundlage eines Zeitsteuersignals aus der Steuer-CPU 612 aus dem digitalen Signal durchzuführen. Das Tunnelstromsignal wird nachgewiesen, während für jede Sonde eine Stellungsregelung durchgeführt wird.
Die Z-Regelung der Mehrfachsonde soll zunächst anhand der Fig. 6 erläutert werden. Die Tunnelstromsignale von einem Mehrsonden-Kopf 601, angedeutet durch die Sonden-Nummern 601&sub1;-601n werden auf eine Auswahlschaltung 602 gegeben. Abhängig von der zeitlichen Steuerung durch die Steuer-CPU wählt die Auswahlschaltung 602 eine der Sonden 601&sub1;-601n des Mehrsonden-Kopfs 601 aus, beispielsweise die n-te Sonde 601n. Das Tunnelstromsignal (im Diagramm: In), wel ches von der ausgewählten n-ten Sonde erfaßt wird, wird in eine Spannung umgesetzt. Im Anschluß daran wird die Spannung von einem A-/D-Wandler 603 in ein digitales Signal umgesetzt (im Diagramm: In(t), wobei t eine gewisse Abtastzeit bezeichnet). Außerdem wird das digitale Tunnelstromsignal linearisiert (im Diagramm: logIn(t)), was mit einem logarithmischen Wandler 604 geschieht, um den Abstand zwischen Sonde und Medium (oder Probe) umzusetzen. Ein Ausgangssignal des logarithmischen Wandlers 604 wird auf einen Vergleicher 605 gegeben, der es mit einem Sollwert der Regelschaltung vergleicht. Von dem Vergleicher 605 wird ein Fehlersignal abgeleitet (im Diagramm: en(t)). Ein PI-Regler (Proportional + Integral) 606 erzeugt ein Abstands-Steuersignal Un(t), durch welches das Fehlersignal zu Null gemacht werden soll. Hierzu erzeugt der PI-Regler 606 ein neues Abstandssteuersignal Un(t) zu einer Zeit (t) aus dem Abstandssteuersignal Un(t-1) und dem Fehlerdatensignal en(t-1) zur Abtastzeit (t-1) und aus einem Kompensationsfehlersignal en(t) zur Abtastzeit (t). Das Abstandssteuersignal Un(t) wird erneut von einem D-/A-Wandler 607 in ein Analogsignal umgesetzt. Von einer Schaltvorrichtung 608 wird das Analogsignal einem Aktuator zugeführt, um die Sonde mit der entsprechenden Numerierung in Z-Richtung zu treiben. Die Steuer-CPU 612 schaltet sequentiell die auszuwählenden Sonden durch und führt eine Z-Regelung für sämtliche Sonden durch.
Während einer Zeitspanne zwischen einem Zeitpunkt, nachdem das Signal an den Aktuator geliefert wurde, bis zu einem Zeitpunkt, zu dem das Signal erneut dem selben Aktuator zugeführt wird, wird der Aktuator in einem schwimmenden Zustand gehalten. Für diese Zeitspanne wird die Steuerspannung durch die Kapazität zwischen den Elektroden des Aktuators gehalten. Die Versetzung des Aktuators wird beibehalten. Obschon jede der oben angegebenen digitalen arithmetischen Operations-/Wandler-Schaltungen, ausreichend hoher Geschwindigkeit, die die Abtastzeitspanne übersteigt, betrieben werden kann, ist es auch möglich, eine sogenannte Pipeline-Verarbeitung durchzuführen, indem ein Datenaufnahmespeicher für jede arithmetische Operation bereitgestellt wird.
Andererseits wird das Tunnelstromsignal von jeder Sonde durch eine Kompensationsschaltung 609 in der Weise kompensiert, daß ein Kompensationsstromsignal 610 abgeleitet wird. Die Operation der Kompensationsschaltung 609 wird im folgenden beschrieben. Das Ausgangssignal aus der logarithmischen Umwandlung des Tunnelstromsignals, welches von jeder einzelnen Sonde erfaßt wird, ist proportional zum Abstand zwischen der Sonde und dem Medium bzw. der Probe, die der betrachteten Sonde gegenüberliegt. Das STM holt ein solches Ausgangssignal als Nachweissignal und verarbeitet es.
Beispielsweise läßt sich das Ausgangssignal des logarithmischen Wandlers 604 folgendermaßen ausdrücken:
logIn = log10 {VB · exp(-a · n1/2 · z)}
= A · n 1/2 · z + B
wobei a, A, B: Konstanten
VB: Vorspannung zwischen Sonde und Probe
1- n: Arbeitsfunktionswerte der Sonden
z: Abstand zwischen Sonde und Medium.
Eine Schwankung von für jede Sonde ergibt eine Amplitudenschwankung des Ausgangssignals des logarithmischen Wandlers 604. Wenn das Nachweissignal in diesem Zustand übernommen wird, wird für jede Sonde eine Pegeldifferenz des Nachweissignals gemessen. Kommt es zu einer solchen Pegeldifferenz, unterscheiden sich in dem STM Helligkeit und Auflösung des Bildes für jede Sonde. Deshalb korrigiert die Kompensationsschaltung 609 das Verstärkungsmaß des Ausgangssignals des logarithmischen Wandlers 604, um dadurch das Kompensationsstromsignal 610 zu erhalten und ein Bild auf der Anzeige darzustellen. Zu diesem Zweck werden in einem Speicher 611 Koeffizienten (gn) abgespeichert, die für jede Sonde verschieden sind. Der betreffende Koeffizient wird mit dem Ausgangssignal des logarithmischen Wandlers 604 entsprechend jede Sonde multipliziert, um dadurch das Kompensationsstromsignal 610 zu gewinnen.
Im folgenden wird ein Meßverfahren für die Koeffizienten beschrieben. In einem Zustand, in welchem sich die Tunnelströme von sämtlichen Sonden nachweisen lassen, generiert die Steuer-CPU 612 ein Z-Modulationssignal zum Bewegen des gesamten Mehrsondenkopfs parallel in Z-Richtung, um auf diese Weise sämtliche Sonden in Z-Richtung (ΔZ) zu modulieren. Dabei wird das Ausgangssignal (ΔVn) des logarithmischen Wandlers 604 für jede Sonde überwacht. Die Transferkennlinie Gmulti = ΔVn/z des Ausgangssignals des logarithmischen Wandlers 604 wird für die Höhenänderung Z für jede Sonde gemessen. Der Koeffizient gn der Kompensationsschaltung wurde so bestimmt, daß die Transferkennlinie für sämtliche Sonden konstant gehalten wird.
Fig. 7 zeigt ein Diagramm des Aufbaus eines STM mit einem Mehrsonden-Kopf als Ausführungsform der Informationsverarbeitungsvorrichtung mit der oben beschriebenen Steuerschaltung. Bezugszeichen 701 bezeichnet einen Mehrsonden-Kopf.
Anhand der Fig. 8A und 8B soll ein Verfahren zum Herstellen des Mehrsonden- Kopfs beschrieben werden. Fig. 8A ist ein Diagramm einer Struktur einer Sonde des Mehrsonden-Kopfs. Fig. 8B ist eine Querschnittansicht entlang der Linie A-B in Fig. 8A. In den Darstellungen bezeichnet das Bezugszeichen 1001 ein Si-Substrat, 1002 und 1008 sind SiNx-Schichten, 1003, 1005 und 1007 sind Treiberelektroden, 1004 und 1006 sind piezoelektrische Dünnschichten, 1009 ist eine Sondenspitze und 1010 ist eine Elektrode für die Spitze. Der Freiträger hat eine bimorphe Struktur. Beim Anlegen einer Spannung erfolgt eine Versetzung des Freiträgers aufgrund des umgekehrten piezoelektrischen Effekts. Im folgenden wird ein Herstellungsprozeß für den Freiträger beschrieben. Zuerst wird mittels CVD-Verfahren auf einem Si- (1001)-Substrat einer Dicke von 0,5 um eine Si&sub3;N&sub4;-Schicht mit einer Dicke von 0,15 um gebildet. Als Materialgase werden SiH&sub2;Cl&sub2; : NH&sub3; (1 : 9) verwendet. Die Substrattemperatur beträgt 800ºC. Mittels Fotolithographie und CF&sub4;-Trockenätzung wird in der Si&sub3;N&sub4;-Schicht ein Muster gewünschter Form ausgebildet. Anschließend werden eine Cr-Schicht mit einer Dicke von 0,01 um und eine Au-Schicht mit einer Dicke von 0,09 um gebildet und mittels Fotolithographie und Naßätzung mit einem Muster versehen. Durch ein Sputter-Verfahren wird eine piezoelektrische Dünnschicht aus AlN mit einer Dicke von 0,3 um gebildet. Al dient als Target und wird in einer (Ar + N&sub2;)-Atmosphäre gesputtert. Weiterhin wird die piezoelektrische Dünnschicht mittels Fotolithographie und Naßätzung unter Verwendung eines Ätzmittels für Al mit einem Muster versehen. Im Anschluß daran werden die obigen Prozesse wiederholt, um dadurch schließlich eine bimorphe Struktur in Form Si-Substrat - Au/Cr - AlN - Au/Cr - A/N - Au/Cr zu erhalten. Außerdem wird mittels CVD-Verfahren eine amorphe SiN-Schicht mit einer Dicke von 0,15 um als Schutzschicht gebildet. Im Anschluß daran wird durch Aufdampfen eine Wolframspitze (W-Spitze) gebildet. Daran anschließend werden die Bereiche ohne Si&sub3;N&sub4; durch anisotropes Ätzen von Si mittels KOH entfernt, um dadurch einen freitragenden Träger oder Freiträger zu erhalten. Schließlich wird die W-Spitze mit Pt überzogen. Die Abmessungen des Freiträgers werden ab 700 um (Länge) · 230 um Breite) eingestellt. Die Resonanzfrequenz in Z-Richtung wird auf 3,3 kHz eingestellt. Der durchschnittliche Versetzungshub der bimorphen Struktur bei Anlegen einer Spannung von 1 V beträgt 1,75 um. Insgesamt 25 (5 · 5) Freiträger-Sonden werden in Matrixform angeordnet. Außerdem wird in der Nähe der Freiträger-Sonde ein Tunnelstrom-Nachweisverstärker auf dem Si-Wafer mit Hilfe eines IC-Prozesses ausgebildet, um dadurch den Mehrsonden-Kopf 701 zu vervollständigen.
Im folgenden wird das STM anhand der Fig. 7 erläutert. Bezugszeichen 702 bezeichnet eine zu beobachtende Probe. Der Mehrsonden-Kopf 701 steht der Probe 702 nahe gegenüber. Der Kopf 701 ist an einem als Feinbewegungsmechanismus fungierenden Aktuator 703 und weiterhin an einer Struktur 709 angebracht.
Wenn die Oberfläche beobachtet wird, so wird in einem Zustand, in welchem eine Vorspannung zwischen dem Kopf 701 und die Probe 702 gelegt wird, der Aktuator 703 bewegt, wobei die Neigung korrigiert wird. Der Kopf 701 wird an die Probe 702 so weit angenähert, daß von sämtlichen Sonden ein Tunnelstrom fließt. Außerdem erfolgt eine Regelung durch die Z-Regelschaltung 704, die bereits in Verbindung mit Fig. 6 erläutert wurde, um die Abstände zwischen sämtlichen Sonden einerseits und der diesen gegenüberstehenden Probe andererseits konstant zu halten. In diesem Zustand erzeugt eine Steuerschaltung 705 ein XY-Abtastsignal 706. Das XY-Abtastsignal 706 wird an einen an der Struktur 709 angebrachten XY-Abtastmechanismus 710 gegeben, um dadurch eine Basisplatte 707, auf der die Probe 702 angebracht ist, zweidimensional in Form eines Rasters abzutasten. Ein Tunnelstrom, der sich aufgrund der konkaven und konvexen Mikroabschnitte der Oberfläche der Sonde ändert, wird erfaßt. Der Tunnelstrom wird an die Steuerschaltung 705 gegeben und synchron mit dem XY-Abtastsignal verarbeitet. Durch Ausführen der obigen Prozesse für sämtliche der 25 Sonden, lassen sich STM-Bilder aus 25 Sonden ableiten. Außerdem werden die STM-Bilder einer Bildverarbeitung unterzogen, beispielsweise einer zweidimensionalen FFT oder dergleichen. Sämtliche der 25 verarbeiteten Bildebenen werden synthetisiert und auf einer Anzeigevorrichtung 708 dargestellt. Um die Beobachtungsposition zu ändern, wird die Probe von einem (nicht gezeigten) XY-Grobbewegungsmechanismus in XY-Richtung bewegt, und der Mehrsonden-Kopf 701 wird zu der gewünschten Zone bewegt und dann wird die Probe betrachtet.
Die Steuerschaltung 705 kompensiert das Tunnelstromsignal von dem Mehrsonden- Kopf und liefert es als Konkav-/Konvex-Signal an die Anzeigevorrichtung. Zu diesem Zweck werden die Kompensationsdaten in einem Speicher 711 abgespeichert, und das Stromsignal wird so kompensiert, wie es in Verbindung mit Fig. 6 erläutert wurde.
Um bei dieser Ausführungsform die exakten Kompensationsdaten zu erhalten, die nicht durch die mikro-konkaven und -konvexen Abschnitte der Probenoberfläche beeinflußt sind, wird vor der Betrachtung der Probenoberfläche der Mehrsonden-Kopf so angeordnet, daß er einer Standardprobe aus HOPG, Si oder dergleichen gegenübersteht, die großflächig eben und gleichförmig ist. Für die Standardprobe wird der gesamte Sondenkopf gleichzeitig mit Hilfe eines (nicht gezeigten) Aktuators in Z- Richtung moduliert (ΔZ). Hierbei wird das Ausgangssignal (ΔVn) des logarithmischen Wandlers für jede einzelne Sonde überwacht. Es wird die Transferkennlinie Gmulti = ΔVn/Z des Ausgangssignals des logarithmischen Wandlers für die Höhenänderung Z bezüglich jeder einzelnen Probe gemessen. Durch dieses Messen läßt sich eine Schwankung in der Empfindlichkeit der Spitze jeder Sonde berechnen. Der Koeffizient gn der Kompensationsschaltung wird so bestimmt, daß diese Schwankungen für sämtliche Sonden konstant gehalten werden. Auf diese Weise lassen sich stabile STM-Bilder in ähnlicher Weise von sämtlichen Sonden gewinnen, ohne daß eine Beeinflussung durch die Empfindlichkeitsschwankungen der Spitze jeder Probe stattfindet.
Durch Verwendung des Rastertunnelmikroskops gemäß der Erfindung läßt sich der Mehrsonden-Kopf mit einer Mehrzahl von Sonden durch eine kleine Steuerschaltung steuern, wobei die Oberfläche der großflächigen Probe innerhalb kurzer Zeit beobachtet werden kann.
Obschon erfindungsgemäß der Freiträger-Aktuator unter Verwendung des umgekehrten piezoelektrischen Effekts des piezoelektrischen Bauelements als Z-Richtungs-Aktuator verwendet wird, ist der Aktuator nicht auf einen solchen speziellen Typ beschränkt, beispielsweise kann auch ein Aktuator eingesetzt werden, der eine elektrostatische Kraft benutzt. Anstelle des STM kann auch ein Zwischenatomkraft- Mikroskop (AFM) mit einer Mehrfachsonde verwendet werden, und das AFM kann auch für eine Schaltung angewendet werden, die zum Kompensieren eines Signals des Abstands zwischen der Sonde und der Probe oder der Kraft dient, die durch eine Schwankung der Elastizitätskonstanten der Sonde hervorgerufen wird.

(Ausführungsform 4)

Fig. 9 ist ein schematisches Diagramm einer Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Vorrichtung als Informationsverarbeitungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungs form der Erfindung. Bezugszeichen 801 bezeichnet ein Aufzeichnungsmedium. Ein Mehrsonden-Kopf 802 ähnlich demjenigen gemäß Ausführungsbeispiel 3 steht dem Aufzeichnungsmedium 801 nahe gegenüber. Der Kopf 802 ist an einem Feinbewegungsmechanismus befestigt, z. B. einem (nicht gezeigten) Stapel-Piezobauelement oder dergleichen. Der Feinbewegungsmechanismus ermöglicht ein Annähern des Kopfs 802 an das Aufzeichnungsmedium 801.
Bezugszeichen 803 bezeichnet eine XY-Abtastschaltung; 804 und 805 sind Aktuatoren für den Antrieb einer Bühne 806, an der das Aufzeichnungsmedium 801 angebracht ist, in XY-Richtung; 807 bezeichnet eine Steuerschaltung zum Durchführen von Dateneingabe-/-ausgabe-Operationen und der Z-Richtungssteuerung jeder Sonde.
Als Aufzeichnungsmedium 801 wird ein Medium aus einem Material mit Speichereffekt mit einer Umschaltkennlinie-Spannung/Strom auf einem Substrat verwendet. Bei dieser Ausführungsform ist auf einem flachen Substrat aus Glas, Glimmer oder dergleichen durch epitaktisches Wachstum ein Substrat aus Gold gebildet. Auf einem solchen Substrat wird als Material mit Speichereffekt mit Schaltkennlinie für Spannung/Strom Squarillium-bis-6-Octylazulen verwendet, und auf einer Substratelektrode wird durch eine Langmuir-Blodgett-Methode (LB-Methode) ein akkumulierter Film aus zwei Lagen von monomolekularen Schichten erzeugt. Eine konkave Nut oder ein Nachführmuster 808 mit verschiedenen Oberflächen-Elektronenzuständen ist als Kerbe auf dem Aufzeichnungsmedium 801 ausgebildet. Eine Nachführmuster- Kantenlage wird von einer Nachführsteuerschaltung 809 aus der Tunnelstromänderung der Sonde ermittelt. Ein Nachführfehler wird von einem Nachführaktuator 810 korrigiert.
Es wurden Versuche durch Aufzeichnung und Wiedergabe unter Verwendung der Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Vorrichtung folgendermaßen durchgeführt:
Zwischen dem Mehrsonden-Kopf 802 und das Aufzeichnungsmedium 801 wird eine Vorspannung von 100 mV gelegt. In diesem Zustand wird der Kopf 802 dem Aufzeichnungsmedium 801 mit Hilfe eines Feinbewegungsmechanismus, beispielsweise eines (nicht-gezeigten) gestapelten piezoelektrischen Bauelements oder dergleichen angenähert, bis auf eine Distanz, bei der aus sämtlichen Sonden Tunnelströme fließen. Außerdem erfolgt eine Regelung in der Weise, daß die Abstände zwischen sämtlichen Sanden und der ihnen gegenüberstehenden Probe konstant gehalten werden, mit Hilfe der Z-Steuerschaltung, die in der Steuerschaltung 807 vorgesehen ist und bereits in Verbindung mit Fig. 6 im einzelnen erläutert wurde. In diesem Zustand erzeugt die XY-Abtastschaltung 803 ein XY-Abtastsignal. Das XY- Abtastsignal wird an die Aktuatoren 804 und 805 gegeben, um die Bühne 806, an der das Aufzeichnungsmedium 801 angebracht ist, zweidimensional abzutasten.
Die Aufzeichnung wurde folgendermaßen durchgeführt: Eine Regelung wurde in einem solchen Maß angewendet, daß die Tunnelströme von 1 nA aus sämtlichen Sonden flossen, um auf diese Weise den Kopf an das Aufzeichnungsmedium anzunähern. In diesem Zustand wurde die Sonde zu einer gewünschten Stelle des Aufzeichnungsmediums 801 bewegt. Daran anschließend wurde die Vorspannung moduliert. Zwischen die Sonde und das Aufzeichnungsmedium wurde eine impulsförmige Spannung von 6 V gelegt. Ein Pit mit einem Durchmesser von 10 nm wurde gebildet (aufgezeichnet), so daß ein Augenblicksstrom von etwa 0,1 uA floß. Bei Abtastung des Aufzeichnungsmediums nach Anlegen der impulsförmigen Spannung wurde dessen Zustand gehalten (Wiedergabe). Deshalb entspricht das Pit in einem solchen Zustand geringen Widerstands einer "1" im Unterschied zu einer "0", die einen Zustand hohen Widerstands kennzeichnet. Durch Codieren der Aufzeichnungsdaten in "0" und "1" mit Hilfe eines Codierers erfolgt eine binäre Aufzeichnung oder Wiedergabe.
Auch bei dieser Ausführungsform werden die Tunnelstromsignale von der Mehrfachsonde kompensiert, um dadurch eine Signalaufzeichnung und -wiedergabe zu erreichen. Im folgenden wird anhand der Fig. 10 die Steuerschaltung näher beschrieben.
Auch bei dieser Ausführungsform wird das Tunnelstromsignal von jeder Sonde unter Verwendung einer Steuer-CPU 918 in ein digitales Signal umgesetzt, und ein digitales Regelsystem erzeugt ein Steuersignal zum sequentiellen Z-Regeln jeder Sonde auf der Grundlage eines Zeitsteuersignals von der Steuer-CPU 918 aus dem digitalen Signal. Das Tunnelstromsignal wird erfaßt; während für jede Sonde die Stellungsregelung ausgeführt wird. Die Tunnelstromsignale von einem Mehrsonden- Kopf 901 mit Sonde 901&sub1;-901n werden auf eine Auswahlschaltung 902 gegeben. Entsprechend der zeitlichen Steuerung durch die Steuer-CPU wählt die Auswahlschaltung 902 eine der Sonden des Mehrsonden-Kopfs 901 aus, beispielsweise die n-te Sonde 901n. Das Tunnelstromsignal (In) von der ausgewählten n-ten Sonde wird von einem A-/D-Wandler 903 in das digitale Signal umgewandelt und wird von einem logarithmischen Wandler 904 linearisiert, so daß ein Signal logIn(t) erhalten wird, welches sich linear mit einer Änderung des Abstands zwischen Sonde und Medium ändert. Ein Ausgangssignal des logarithmischen Wandlers 904 wird auf einen Vergleicher 905 gegeben, wo es mit einem Sollwert der Regelschaltung verglichen wird. Von dem Vergleicher 905 wird ein Fehlersignal (im Diagramm: en(t)) abgeleitet. Ein PI-Regler 906 erzeugt ein Abstand-Steuersignal Un(t), um das Fehlersignal gegen Null zu bringen. Das Abstand-Steuersignal Un(t) wiederum wird von einem D-/A-Wandler 907 in ein Analogsignal umgesetzt, welches auf den Aktuator gegeben wird, um die Sonde der entsprechenden Nummer in Z-Richtung anzutreiben, was über eine Schaltvorrichtung 908 geschieht. Die Steuer-CPU 918 schaltet sequentiell die auszuwählenden Sonden durch, um dadurch sämtliche Sonden einer Z-Steuerung zu unterziehen.
Andererseits wird das Tunnelstromsignal von jeder Sonde durch eine Kompensationsschaltung 909 derart kompensiert, daß ein Kompensationsstromsignal 919 erhalten wird. Ähnlich wie bei der Ausführungsform 3 führt eine Schwankung jeder Sonde zu einer Amplitudenschwankung des Ausgangssignals des logarithmischen Verstärkers 904. Wenn das Nachweissignal in diesem Zustand ermittelt wird, wird für jede Sonde eine Pegeldifferenz des Nachweissignals gemessen. Wenn eine solche Pegeldifferenz auftritt, kommt es zu einem Signalwiedergabefehler aufgrund der Pegeldifferenz des Wiedergabesignals in der Informationsverarbeitungsvorrichtung. Deshalb kompensiert die Kompensationsschaltung 909 das Verstärkungsmaß des Ausgangssignals des logarithmischen Wandlers 904, um auf diese Weise das Kompensationsstromsignal 919 zu erhalten. Weiterhin wird das keine Pegeldifferenz aufweisende Kompensations-Stromsignal auf einem Demodulator 910 gegeben, um dadurch ein Wiedergabesignal 912 zu gewinnen. Deshalb werden die Koeffizienten (gn), die sich von Sonde zu Sonde unterscheiden, in einem Speicher 911 abgespeichert, und der jeweilige Koeffizient wird mit dem Ausgangssignal für jede Sonde multipliziert.
Ein Meßverfahren für den Koeffizienten ist demjenigen der Ausführungsform 3 ähnlich. In einem Zustand, in welchem die Tunnelströme sich von sämtlichen Sonden ermitteln lassen, wird ein Z-Modulationssignal zum Bewegen des gesamten Mehrsondenkopfs parallel in Z-Richtung erzeugt, um dadurch sämtliche Sonden in Z- Richtung zu modulieren (ΔZ). Dazu wird das Ausgangssignal (ΔVn) des logarithmischen Wandlers für jede Sonde überwacht, und es wird die Übertragungskennlinie Gmulti = ΔVn/Z des Ausgangssignals des logarithmischen Wandlers für die Z- Höhenänderung bezüglich jeder Sonde gemessen, und daraus wird der Koeffizient gn der Kompensationsschaltung ermittelt.
Im Aufzeichnungsmodus führt die Steuer-CPU 918 ebenfalls eine Aufzeichnungssteuerung mit Hilfe einer Kompensationsschaltung 915 durch, um jeglichen Einfluß durch die Sonden-Schwankung zu beseitigen. Wie oben angegeben, ändert sich der Arbeitsfunktionswert der Sonde in Abhängigkeit einer Verunreinigung der Sonde oder dergleichen. Die Spitze der Sonde, die eine geringe Empfindlichkeit aufweist, ist üblicherweise durch eine Verunreinigungsschicht überzogen. Selbst wenn ein Aufzeichnungs-Spannungssignal an eine solche Sonde gelegt wird, gelangt keine Spannung an die Aufzeichnungsschicht des Aufzeichnungsmediums, oder es wird der in der Aufzeichnungsschicht fließende Strom beschränkt, so daß es zu einem Aufzeichnungsfehler kommt. Deshalb stellt die Kompensationsschaltung 915 für jede Sonde die Aufzeichnungsspannungsamplitude ein. Nach Maßgabe der Kennlinie Gmulti = ΔVn/z, die die Arbeitsfunktionsänderung der Sonde widerspiegelt, wird die Höhe einer Impulsspannung von 6 V, die die normale Aufzeichnungsspannung darstellt, kompensiert auf maximal 10 V, was in einem Speicher 920 als Kompensations-Aufzeichnungsspannung abgespeichert wird. Von einem Modulator 914 wird ein Aufzeichnungssignal 913 moduliert. Im Anschluß daran wird das modulierte Signal an eine Aufzeichnungsschaltung 916 als Spannungssignal gegeben, welches von der Kompensationsschaltung an jede Sonde zu legen ist. Die Steuer-CPU 918 wählt sequentiell die Sonden mit einer Schaltvorrichtung 917 aus. Die Aufzeichnungsschaltung 916 liefert das Aufzeichnungsspannungssignal an die ausgewählte Sonde entsprechend den Aufzeichnungsdaten, um dadurch die digitalen Daten aufzuzeichnen.
Erfindungsgemäß wurde die Aufzeichnungsspannung in der Weise kompensiert, daß die Schwankung der Spitze der Sonde kompensiert wird. Allerdings läßt sich die Erfindung auch auf eine Steuerschaltung zum Kompensieren des Aufzeichnungsspannungswerts jeder Sonde in der Weise anwenden, daß eine Makro-Schwankung des Mediums verlagert wird (beispielsweise eine Dickenänderung des LB-Films des Aufzeichnungsmediums). Eine zu kompensierende Größe ist nicht beschränkt auf den Spannungswert beim Aufzeichnen. Es ist auch möglich, eine Kompensation in der Weise vorzunehmen, daß der für die Aufzeichnung vorgesehene Strom, die Aufzeichnungszeit oder dergleichen von Sonde zu Sonde unterschiedlich gemacht werden, abhängig von dem Aufzeichnungsmedium.
Weiterhin ist eine erfindungsgemäße Aufzeichnung-/Wiedergabevorrichtung nicht beschränkt auf eine Vorrichtung, bei der die Sonde eine zweidimensionale XY- Rasterabtastung des Aufzeichnungsmediums vornimmt, wie dies in dem Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Beispielsweise ist es auch möglich, Pits auch in Rich tung der Umgangsspur aufzuzeichnen oder daraus das Signal zu reproduzieren, während die Sonde in Umfangsrichtung oder spiralförmig bewegt wird.

Claims

1. Informationsverarbeitungsvorrichtung zur Wiedergabe aufgezeichneter Information unter Verwendung eines Signals, welches gebildet wird aufgrund eines physikalischen Phänomens, welches zwischen einer Mehrzahl von Sonden (101&sub1; bis 101n, 601&sub1; bis 601n, 901&sub1; bis 901n) und einer Probe (302, 702), die den Sonden gegenüberliegt, stattfindet, umfassend:

- eine Mehrzahl von Sonden (101&sub1; bis 101n, 601&sub1; bis 601n, 901&sub1; bis 901n),

- eine Einzelsignal-Nachweisschaltung (103; 603; 903), die selektiv an die mehreren Sonden (101&sub1; bis 101n, 601&sub1; bis 601n, 901&sub1; bis 901n) angeschlossen ist;

- eine Auswahlschaltung (102; 602; 902) zum selektiven Verbinden der Signalnachweisschaltung (103; 603; und 903) mit den mehreren Sonden (101&sub1; bis 101n, 601&sub1; bis 601n, 901&sub1; bis 901n);

gekennzeichnet durch

- eine Speicherschaltung (111; 611; 911) zum Speichern eines Kompensationswerts (g&sub1; bis gn) entsprechend jeweils einer der mehreren Sonden (101&sub1; bis 101n, 601&sub1; bis 601n, 901&sub1; bis 901n),

- wobei der Kompensationswert (g&sub1; bis gn) vorgesehen ist, um ein Nachweissignal (In) zu kompensieren, welches von der Signalnachweisschaltung (103; 603; 903) nachgewiesen wird, wenn die Auswahlschaltung (102; 602; 902) eine von den mehreren Sonden (101&sub1; bis 101n, 601&sub1; bis 601n, 901&sub1; bis 901n) mit der Signalnachweisschaltung (103; 603; 903) verbindet,

- einen Aktuator, der entsprechend jeder der mehreren Sonden (101&sub1; bis 101n, 601&sub1; bis 601n, 901&sub1; bis 901n) vorgesehen ist, und

- wobei die Aktuatoren auf der Grundlage des Nachweissignals (In) betrieben werden, welches von der Signalnachweisschaltung (103; 603; 903) nachgewiesen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Kompensationswert vorgesehen ist, um eine Schwankung des Nachweissignals zu kompensieren, die verursacht wird durch eine Schwankung der Empfindlichkeit unter den mehreren Sonden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der ausgestattet mit einer Aktuatorauswahlschaltung zum selektiven Verbinden des der von der Auswahlschaltung ausgewählten Sonde entsprechenden Aktuators mit der Signalnachweisschaltung.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das von der Signalnachweisschaltung detektierte Nachweissignal als Oberflächeninformation über die Probe verwendet wird.

5. Informationsverarbeitungsvorrichtung zum Aufzeichnen eines Aufzeichnungssignals auf eine Probe, indem ein physikalisches Phänomen zwischen einer Mehrzahl von Sonden (901&sub1; bis 901n) und der gegenüberliegend den Sonden angeordneten Probe veranlaßt wird, umfassend:

- eine Mehrzahl von Sonden (901&sub1; bis 901n),

- eine einzelne Signalaufzeichnungsschaltung (916), die selektiv mit den mehreren Sonden (901&sub1; bis 901n) verbunden wird,

- eine Auswahlschaltung (917) zum selektiven Verbinden der Signalaufzeichnungsschaltung (916) mit den mehreren Sonden (901&sub1; bis 901n),

gekennzeichnet durch

- eine Speicherschaltung (920) zum Speichern eines Kompensationswerts (V&sub1; bis Vn) entsprechend jeder der mehreren Sonden (901&sub1; bis 901n), wobei der Kompensationswert (V&sub1; bis Vn) vorgesehen ist, um das Aufzeichnungssignal zu kompensieren, welches von der Signalaufzeichnungsschaltung (916) an die ausgewählte Sonde (901&sub1; bis 901n) geliefert wird, wenn die Auswahlschaltung (917) eine der mehreren Sonden (901&sub1; bis 901n) mit dem Signalaufzeichnungssignal verbindet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Kompensationswert vorgesehen ist, um eine Änderung der Aufzeichnungsempfindlichkeit zu kompensieren, die verursacht wird durch eine Schwankung der Empfindlichkeit, die unter den mehreren Sonden vorhanden ist.