DE69521591T2

DE69521591T2 - Mit Sonden-Positionssteuerungsmechanismus versehenes Informationsverarbeitungsgerät

Info

Publication number: DE69521591T2
Application number: DE69521591T
Authority: DE
Inventors: Shunichi Shido
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-12-05
Filing date: 1995-12-05
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2015-12-06
Also published as: DE69521591D1; US5978326A; JPH08212605A; EP0716417A3; EP0716417B1; JP3599440B2; EP0716417A2

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Informationsverarbeitungsvorrichtung, die ein physikalisches Phänomen (einen Tunnelstrom, flüchtiges Licht etc.) ausnützt, welches zustande kommt, wenn eine Sonde in die Nähe einer Probe gebracht wird, und insbesondere betrifft sie einen Sondenstellungs-Steuermechanismus zum Steuern des Abstands zwischen der Sonde und der Probe.

Einschlägiger Stand der Technik

In jüngerer Zeit rücken Anwendungen von Speichermaterialien in das Zentrum des Interesses der Elektronikindustrie, darunter Rechner und dazugehörige Geräte, Videoplatten, digitale Audioplatten etc.; die Materialentwicklung auf diesem Gebiet weist eine hohe Aktivität auf.
Obschon von Speichermaterialien geforderte Leistungsmerkmale sich je nach Anwendungsfall voneinander unterscheiden, ist eine rasche Ansprechgeschwindigkeit für die Aufzeichnung oder Wiedergabe notwendig und unverzichtbar.
Die meisten konventionellen Speicher waren Halbleiterspeicher und magnetische Speicher aus Halbleiter- bzw. magnetischen Werkstoffen, allerdings kommen mit dem jüngsten Fortschritt auf dem Gebiet der Lasertechnologie billige und hochdichte Aufzeichnungsmedien in Form optischer Speicher unter Verwendung eines organischen Dünnfilms, eines organischen Farbstoffs, eines Photopolymers oder dergleichen auf den Markt.
Andererseits wurde in den vergangenen Jahren ein Rastertunnelmikroskop (im folgenden als RTM bezeichnet) entwickelt, welches direkt elektronische Strukturen von Oberflächenatomen in einem Leiter beobachten kann [G. Binnig et al., Phys. Rev. Lett., 49, 57 (1982)]. Das RTM ermöglicht eine hochauflösende Messung eines realen Luftbildes, unabhängig davon, ob ein Objekt ein Einkristall oder amorph ist. Darüber hinaus hat das RTM den Vorteil, dass es eine Probe bei geringer Leistung messen kann, ohne die Probe durch einen elektrischen Strom zu beschädigen. Weiterhin arbeitet es in Luft und lässt sich für eine Vielfalt von Materialien verwenden. Deshalb ist für das RTM ein umfangreicher Anwendungsbereich zu erwarten.
Das RTM nutzt das Phänomen, wonach ein Tunnelstrom dann fließt, wenn eine Metallsonde (eine Sondenelektrode) auf eine Entfernung von etwa 1 nm an ein elektrisch leitendes Substrat herangeführt wird und zwischen die Sonde und das leitende Material eine Spannung gelegt ist.
Dieser Strom ist deshalb äußerst empfindlich, weil er exponentiell auf eine Änderung des Abstands zwischen der Sonde und der Substanz anspricht.
Wenn die Substanz mit der Sonde abgetastet wird, während der Tunnelstrom konstant gehalten wird, lässt sich verschiedene Information sogar über eine Gesamt- Elektronenwolke im realen Raum lesen.
Die Auflösung in den in der Ebene liegenden Richtungen beträgt hierbei etwa 0,1 nm, und deshalb macht das Anwenden der Prinzipien des RTM ein hochdichtes Aufzeichnen und/oder Wiedergeben etwa in atomarer Größenordnung (im Sub-Nanometerbereich) möglich.
Beispielsweise ist die Informationsverarbeitungsvorrichtung, wie sie in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 61-80536 dargestellt ist, so ausgestaltet, dass sie Atomteilchen, die an der Oberfläche eines Trägers haften, mit einem Elektronenstrahl oder dergleichen entfernt, um Information zu schreiben und die Daten mit Hilfe des RTM wiederzugeben.
Außerdem wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine Aufzeichnungsschicht aus einem Material mit Speichereffekt zum Umschalten der Kennlinie von Spannung oder Strom hergestellt wird, beispielsweise eine Dünnfilmschicht einer von organischen Verbindungen mit dem konjugierten n-Elektronensystem oder Erzbildnern, wobei das RTM dazu dient, eine Aufzeichnung und/oder Wiedergabe durchzuführen [japanische Patent-Offenlegungsschriften 63-161552 und 63-161553].
Bei Zugrundelegung einer Aufzeichnungs-Bitgröße von 10 nm ermöglicht dieses Verfahren das hochkapazitive Aufzeichnen und/oder Wiedergeben von 1 Tbits/cm.
Außerdem ist ein Abtastmechanismus der Sondenelektrode mit einem Auslegerarm ausgebildet (japanische Patent-Offenlegungsschrift 62-281 138). Mehrere Auslegerarm-Mechanismen lassen sich aus SiO&sub2; mit einer Länge von etwa 100 um, einer Breite von 10-20 um und einer Dicke von 0,5 um auf einem Siliciumsubstrat herstellen, wobei in ein- und dem selben Substrat außerdem Schreib- und Leseschaltungen integriert sind.
Wie aus diesen Prinzipien der RTM hervorgeht, ist eine Steuerung in der Größenordnung von Å notwendig, um die Sonde zu positionieren, damit man eine Oberflächenstruktur einer Substanz mit Hilfe des RTM's messen kann.
Zu diesem Zweck wurden Aktuatoren für die Steuerung entwickelt, wo z. B. solche unter Anwendung eines piezoelektrischen Bauteils oder solchen, die von elektrostatischer Kraft Gebrauch machen. Man kann ein Bauelement vom Zylindertyp oder vom Einbauschicht-Typ als Vorrichtung verwenden, die von einem piezoelektrischen Bauteil Gebrauch macht. Außerdem kann man ein Hebeltyp-Bauelement, beispielsweise einen bimorphen Auslegerarm, verwenden, der einen Ausleger enthält, in welchem zwei Schichten piezoelektrischer Elemente und eine Elektrode abwechselnd beschichtet sind. Als Vorrichtung, die elektrostatische Kraft nutzt, gibt es ein Hebeltyp-Bauteil, das ein Auslegerarm-Bauteil und ein Torsions-Bauteil enthält. Das Torsions-Bauteil besitzt einen Korrosionsstab, der sich von der Seite eines Hebels ausgehend erstreckt, um den Hebel in der Weise zu haltern, dass dieser sich durch elektrostatische Kraft und durch eine Rückstellkraft aufgrund einer Torsion des Hebels versetzt (vgl. Fig. 6 und 7).
Allerdings weisen derartige Aktuatoren folgende Probleme auf: die Aktuatoren besitzen eine hochgenaue Positioniergenauigkeit, allerdings einen geringen dynamischen Bereich. Aufgrund des kleinen dynamischen Bereichs waren sie in der Lage, einer Oberflächenrauhigkeit in der Größenordnung von Atomen korrekt zu folgen, hingegen war es schwierig bei diesen Aktuatoren, Welligkeiten eines Substrats oder dergleichen zu folgen, bei denen es sich um makroskopische Oberflächenrauhigkeit handelt. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit eines Kontakts zwischen der Sonde und dem Träger, was zu Problemen möglicher Beschädigungen, beispielsweise in 1 Form eines Abfalls der Empfindlichkeit der Sondenspitze und zu einer Verringerung der Auflösung führt.
Die Steuerung wird normalerweise unter Verwendung von 2 Aktuatoren für Grobbewegung bzw. Kleinbewegung in herkömmlichen Vorrichtungen durchgeführt.
Bei dieser Ausgestaltung arbeitet ein Feinbewegungsmechanismus bezüglich der Rauhigkeit auf atomarem Niveau, der Grobbewegungsmechanismus arbeitet für relativ große Rauhigkeit, so dass die Sonde einer solchen großen Rauhigkeit in Form einer Substrat-Welligkeit folgen konnten, die von dem Feinbewegungsmechanismus nicht erfaßt werden könnte.
Was die Steuerung für die Betrachtung mit dem RTM angeht, so zeugt die japanische Patent-Offenlegungsschrift 01-233303, die die Grundlage für den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet, dass eine Grobbewegung beispielsweise so gesteuert wird, dass das Zentrum der Steuerung der Feinbewegung sich in der Mitte des Versatzes der Gesamt-Feinbewegung befindet.
Der Grund hierfür besteht darin, dass die Rauhigkeit merklich genauer dann erfasst werden kann, wenn die Beobachtung der Oberflächenkonfiguration bei gleichem dynamischen Bereich in einer Richtung fort von der Substratoberfläche erfolgt.
Das herkömmliche Steuerverfahren, wie es in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 01-233303 offenbart ist, leidet allerdings an folgendem Problem: das herkömmliche Steuerverfahren ermöglichte der Sonde die Löcher in der Oberflächenstruktur nachzufahren, während es der Sonde einen geringen Bewegungsbereich in Richtung der Vorsprünge ermöglichte (weil der Gesamt-Bewegungshub zwischen den Bewegungsbereichen für Vorsprünge und Löcher halbiert war). Dies führte dazu, dass für plötzlich auftretende Vorsprünge kein ausreichender Rückhub der Sonde zur Verfügung stand, demzufolge die Sonde solche Vorsprünge berühren konnte, so dass die Sondenspitze beschädigt wurde.
Der Kontakt oder die Kollision erfolgt häufig bei Strukturen mit einer Höhe von etwa 10 nm oder mehr auf der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers, beispielsweise an Kerngrenzen etc. zwischen Kristallen des Mediums.
Es war dies außerdem ein großes Problem, wenn als Substrat des Mediums ein Kristall-Metallsubstrat verwendet wurde.
Bei Speichersystemen ist die Beschädigung der Sonde schwerwiegender. Wenn ein Teilbereich des Trägers gebrochen ist, kann eine Aufzeichnung und/oder Wiedergabe dadurch erfolgen, dass der Bereich umgangen wird, oder dass die Aufzeichnungsstellen verstreut werden, wenn es sich um derzeit verfügbare Kompakt-Disks handelt. Allerdings würde die Beschädigung der Sonde die gesamten Daten abträglich beeinflussen und Fehler oder Richtungsverlust hervorrufen, wenn die Sonde nicht bereinigt wird, es sei denn, die Sondenspitze wird nachgeschärft oder die Sonde wird ersetzt.
Darüber hinaus ist es technisch schwierig, einen Mechanismus zur Wiederherstellung der Sonde zu schaffen, außerdem ist es nachteilig bezüglich der Effizienz, wenn man die Integration der Sonde berücksichtigt.
Wenn außerdem als Feinbewegungsmechanismus der elektrostatisch angetriebene Torsionshebel verwendet wird, kann die Rückstellkraft der Torsion nicht wirksam zum Rückziehen der Sonde in dem Fall verwendet werden, dass das Steuerzentrum im Zentrum des Antriebsbereichs für die Feinbewegung entspricht.

Offenbarung der Erfindung

Um die obigen Probleme zu lösen, ist es Ziel der Erfindung, eine Informationsverarbeitungsvorrichtung zu schaffen, die so ausgebildet ist, dass eine Kollision der Sonde mit dem Träger vermieden wird, um dadurch eine Verformung der Sondenspitze zu erreichen und diese Sondenspitze über eine längere Zeitspanne sauber zu halten.
Erreicht werden kann das obige Ziel durch eine Informationsverarbeitungsvorrichtung, die ein physikalisches Phänomen nutzt, was zwischen einer Sonde und einer Probe zustande kommt, um von der Probe Information zu erfassen, wobei die Vorrichtung aufweist:
eine Einrichtung zum Bewegen der Sonde, um einen Abstand zwischen der Sonde und der Probe einzustellen;
eine Einrichtung zum Erfassen eines physikalischen Phänomens, was zwischen der Sonde und der Probe in Erscheinung tritt;
eine Einrichtung zum Erzeugen eines Steuersignals für die Bewegungseinrichtung, um den Abstand zwischen der Sonde und der Probe auf einem Sollabstand zu ändern, basierend auf dem Ergebnis durch die Erfassungseinrichtung; und
eine Einrichtung zum Anwenden eines Versatzsignals auf das Steuersignal mit dem Zweck, dass die Sonde sich bezüglich einer Referenzgröße mit Hilfe der Bewegungseinrichtung bewegen kann, wobei sich diese Referenzgröße an einer Stelle befindet, die gegenüber der Mittelstellung eines Gesamtbewegungshubs der Probe abweicht.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsformen im folgenden näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines erfindungsgemäßen Speichersystems zeigt;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, welches den Betrieb einer Z-Steuerschaltung der Ausführungsform 1 veranschaulicht;
Fig. 3 Figur ist ein Blockdiagramm, welches den Betrieb einer Z-Steuerschaltung der Ausführungsform 2 veranschaulicht;
Fig. 4 ist ein Diagramm, welches Signalverläufe darstellt, um den dazugehörigen Betrieb eines Grobbewegungsmechanismus und eines Feinbewegungsmechanismus der Ausführungsform 2 zu veranschaulichen;
Fig. 5 ist ein Diagramm von Signalwellenformen zur Veranschaulichung des dazugehörigen Betriebs der Grobbewegungs- und Feinbewegungsstrukturen, wenn es bei der Ausführungsform 2 eine große Struktur gibt;
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Struktur für den Fall, dass als Feinbewegungsmechanismus der elektrostatisch angetriebene Torsionshebel eingesetzt wird; und
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung eines elektrostatisch angetriebenen Torsionshebels:
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Im folgenden werden anhand der Zeichnungen spezielle Ausführungsformen der Erfindung erläutert.
Fig. 1 ist eine Strukturdarstellung, die den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Speichersystems zeigen soll.
Ein Sondenstellungs-Steuermechanismus setzt sich zusammen aus einer Vorspannungsschaltung 108 zum Anlegen einer Spannung zwischen einem auf einem XY- Tisch gelagerten Aufzeichnungsträger 102 und einer Sonde 101, einer Stromdetektorschaltung 106 zum Erfassen eines durch die Sonde fließenden Tunnelstroms über einen I-V-Wandler 105, während die Spannung von der Vorspannungsschaltung 108 angelegt wird, einer Z-Steuerschaltung 107 und einer Informationsextrahierschaltung 112, die ein Ausgangssignal des von der Stromdetektorschaltung 106 erfaßten Stroms empfängt, und einem Feinbewegungsmechanismus 103 sowie einem Grobbewegungsmechanismus 104 zur Treibersteuerung der Sonde in Richtung senkrecht zur Oberfläche des Aufzeichnungsträgers und basierend auf einem von der Stellungssteuerschaltung kommenden Steuersignals.
Bei den Ausführungsformen der Erfindung wird ein piezoelektrisches Bauteil mit Schichtaufbau als Grobbewegungsmechanismus 104 verwendet, als Feinbewegungsmechanismus 103 wird ein piezoelektrisches Zylinderbauelement verwendet, was im folgenden noch ausgeführt wird. Die Genauigkeit für die Feinbewegung beträgt 0,1 Angström, für die Grobbewegung beträgt sie 1 nm und der maximale Hub beträgt 50 nm für die Feinbewegung und 5 um für die Grobbewegung.
Die Vorspannungsschaltung 108 wandelt eingegebene Information in ein Vorspannungssignal um, um dieses zwischen die Sonde und den Träger zu legen, zusätzlich zu der Vorspannung zum Nachweisen des Tunnelstroms, wie oben erläutert wurde. Dieses Vorspannungssignal kann ein Impulssignal sein, und ein Beispiel für das Aufzeichnungsverfahren sieht das Schreiben von Aufzeichnungsbits durch elektrisches Verarbeiten des Aufzeichnungsträgers vor.
Mit der oben beschriebenen Anordnung legt die Vorspannungsschaltung 108 die vorbestimmte Spannung zwischen die Sonde 101 und den Aufzeichnungsträger 102, um zwischen der Sonde 101 und dem Träger 102 den Tunnelstrom zu veranlassen, und dieser Tunnelstrom wird über den I-V-Wandler 105 geführt, um in ein Spannungssignal umgewandelt zu werden, anschließend mißt die Stromdetektorschaltung 106 den Wert als Stromwert. Der Stromwert wird an die Z-Steuerschaltung 107 und an die Informationsextrahierschaltung 112 gegeben. Dann entnimmt die Informationsextrahierschaltung 11 2 dem Stromwert und einem Tischstellungs- Informationsausgabesignal von der XY-Abtaststeuerschaltung 111, die die Position des XY-Tisches 109 steuert, akustische Daten oder Bilddaten oder dergleichen in Form eines digitalen oder analogen Signals.
Die Z-Steuerschaltung 107 führt eine Regelung mit Hilfe eines PID- oder ähnlichen Regelverfahrens für den Abstand zwischen der Sonde 102 und dem Träger anhand des nachgewiesenen Stromwerts durch, und der Grobbewegungsmechanismus 104 und der Feinbewegungsmechanismus 103 sind so ausgebildet, dass sie die entsprechende Stellung erfindungsgemäß ansteuern. Außerdem ist die Mittelstellung der Treibersteuerung des Feinbewegungsmechanismus versetzt, um eine Rückzugsgrenze der Sonde gegenüber dem Träger möglichst groß zu machen. Die Vorrichtung ist so ausgebildet, dass sie die Stellung beispielsweise durch ein Versatz-Signal einrichtet, welches von einer Versatz-Erzeugungseinheit gemäß der Erfindung ausgegeben wird.
Im folgenden werden die Einzelheiten näher erläutert.

[Ausführungsform 1 ]

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, welches die Einzelheiten für den Betrieb der Z- Steuerschaltung 107 der Ausführungsform 1 darstellt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform war der Aufzeichnungsträger von der Art, wie sie in den japanischen Patent-Offenlegungsschriften 63-161552 und Nr. 63- 161553 offenbart ist, wobei der Träger eine Probe aufweist, die man erhält durch Anordnung einer SOAZ-Langmuir-Blodgett(LB)-Film (ein doppellagiger Film) auf einer Au-Elektrode.
Die Au-Elektrode war ein mit Au bedampfter Film, aufgebracht durch Widerstandsheizung. Information wurde elektrisch auf diesem Träger dadurch geschrieben, dass eine Vorspannung angelegt wurde, der eine kontinuierliche impulsförmige Spannung mit Scheitelwerten von -6 V und +1,5 V überlagert waren und diese Spannung zwischen die Probe und die Sonde 101 gelegt wurde. Digitale Daten wurden als Bit-Information aufgezeichnet.
Die Stärke des von dem Aufzeichnungsträger 102 durch die Sonde 101 fließenden Tunnelstroms wurde als Signal Jt in eine Fehlersignal-Erzeugungseinheit 204 gegeben. Die Fehlersignal-Erzeugungseinheit 204 erzeugt ein Differenzsignal zwischen einer vorbestimmten Referenzstromstärke und einem nachgewiesenen Stromwert, und sie berechnet, wie weit die Sonde von dem Abstand zwischen der Sonde und dem Aufzeichnungsträger abweicht, welcher von dem Referenzstromwert definiert ist, um ein Signal bezüglich dieser Abweichung auszugeben.
Diese Fehlersignalausgabe wird dann in eine Feinerzeugungseinheit 202 für die Feinbewegungs-Steuersignalausgabe gegeben, welche einen Steuer- oder Stellhub für den Feinbewegungsmechanismus 103 gemäß dem Betrag des Signals berechnet, basierend auf der PID-Regelung, um den berechneten Stellwert auszugeben. Der ausgegebene Stellwert läuft durch ein Tiefpaßfilter (TPF) 205, um eine niederfrequente Komponente zu beseitigen (bedingt durch Welligkeit oder Schräglage des Trägers, eine Verziehung des piezoelektrischen Körpers oder dergleichen). Die so extrahierte niederfrequente Komponente wird in eine Erzeugungseinheit 201 für eine Grobbewegungs-Steuerausgabe eingegeben, welche den Grobbewegungsmechanismus 104 abhängig von einem Wert der Komponente anpeilt.
Außerdem wird die von der Erzeugungseinheit 202 für die Feinbewegungs-Steuerausgabe ausgegebene Steuergröße auf einen Versatzwert addiert, der von einer Versatz-Erzeugungseinheit 203 erzeugt wird, welche charakteristisch für die Erfindung ist. Das Aufaddieren erfolgt in einem Addierer 206 mit dem Zweck, den Feinbewegungsmechanismus 103 über einen Verstärker 207 anzutreiben.
Der von der Versatz-Erzeugungseinheit 203 erzeugte Versatzwert wird durch ein Versatz-Einstellsignal einjustiert, welches von einem Benutzer von außen vorgegeben wird.
Verstärker 207 sind so angeordnet, dass die Ausgangssignale auf Grenzspannungen der einzelnen Abwehraktuatoren beschränkt sind.
Insbesondere ist die vorliegende Ausführungsform derart ausgestaltet, dass der Verstärker zum Treiben des Feinbewegungsmechanismus 103 zwischen ±50 V und der Verstärker zum Treiben des Grobbewegungsmechanismus 104 zwischen 0 und 100 V arbeitet, wodurch verhindert wird, dass die Aktuatoren bei Anlegen einer Spannung außerhalb der Bereiche für die Aktuatoren brechen.
Selbst wenn der Versatzwert irgend einen beliebigen Wert annimmt, wird nur eine Spannung innerhalb des Bereichs von ±50 V an den Feinbewegungsmechanismus 103 gelegt. Die Addition des Versatzwerts bedeutet hier eine Versetzung oder Abweichung des Antriebszentrums des Feinbewegungsmechanismus. In anderen Worten: der Feinbewegungsmechanismus bewegt die Sonde gegenüber der Referenzstelle, welche sich an einer Stelle befindet, die gegenüber dem Zentrum des von dem Mechanismus beherrschten Gesamtbewegungsbereichs der Sonde abweicht.
Da der Grobbewegungsmechanismus eine Verlagerung einer Gleichstromkomponente vollzieht, übernimmt der Feinbewegungsmechanismus lediglich eine Wechselstromkomponente, um das Antriebszentrum der Wechselstromkomponente in eine Position nahe dem Träger zu bringen.
Bei einem Versatz von 0 liegt das Antriebszentrum bei 0 V, das heißt, in der Mitte des Antriebsspannungsbereichs von ±50 V, wobei die Grenze zum Zurückziehen der Sonde sich dadurch vergrößern lässt, dass man die Antriebsposition näher an den Träger als in die Mittelstellung legt.
Die vorliegende Ausführungsform verwendet ein piezoelektrisches Zylinder-Bauteil als Feinbewegungsmechanismus, wobei der Bewegungshub 50 nm beträgt. Bei dieser Ausführungsform wurden vier Arten von Versatz eingestellt, und es wurden Tests für die jeweiligen Fälle durchgeführt. Die Versatzgrößen für die einzelnen Fälle betrugen 85%, 70%, 55% bzw. 30% des gesamten Antriebshubs in einer Richtung weg von dem Träger, während die verbliebenen 15%, 30%, 45% bzw. 70% des gesamten Antriebshubs für die Richtung zu dem Träger hin eingerichtet wurden. Die Ergebnisse für die einzelnen Fälle ergeben sich aus der nachstehenden Tabelle.
Die Markierung bedeutet, dass keine Beschädigung an der Sondenspitze beobachtet wurde. Die Markierung o bedeutet, dass zwar eine gewisse Beschädigung der Sondenspitze beobachtet wurde, es aber kein Problem bei der Aufzeichnung und der Wiedergabe gibt. Die Markierung A bedeutet, dass die Beeinträchtigung des Detektorsignals ihre Ursache in einer Beschädigung hatte, wodurch die Wiedergabedaten abträglich beeinflußt wurden. Die Markierung x bedeutet, dass eine Wiedergabe im Wiedergabebetrieb aufgrund einer Beschädigung der Sonde nicht möglich war.
Aus den Ergebnissen lässt sich entnehmen, dass eine Beschädigung der Sonde durch eine Kollision im Fall des Einstellens des Versatzes auf 45% oder weniger des gesamten Antriebsbereichs in Richtung auf den Träger hin wirksam verhindert werden könnte. Außerdem wurde aus den Ergebnissen entnommen, dass, wenngleich man einige Effekte beim Aufzeichnen und Wiedergeben erreicht, wenn man den Versatz auf 50% oder weniger des gesamten Antriebshubs in Richtung zu dem Träger hin einstellt, vorzugsweise der Versatz so eingerichtet ist, dass er 30 oder weniger des gesamten Antriebsbereichs in Richtung zu dem Träger hin ausmacht, so dass Bits zur Fehlerkorrektur in ihrer Anzahl verringert und dementsprechend die Informations-Aufzeichnungsdichte gesteigert werden kann. Außerdem wurde aus den Ergebnissen ermittelt, dass nicht nur die Zuverlässigkeit der Wiedergabe der Information verbessert werden kann, sondern auch die Lebensdauer der Sonde deshalb gesteigert werden kann, da bei der Sonde keine Beschädigung festgestellt wurde, als der Versatz so eingerichtet wurde, dass 15% des gesamten Antriebsbereichs in Richtung zu dem Träger hin eingestellt waren.
Die vorliegende Ausführungsform mit den obigen Ergebnissen unter Einsatz eines aufgedampften Au-Films mittels Widerstandsheizung als Substrat für den Aufzeichnungsträger gibt Anlaß für den Hinweis, dass der Versatzwert abhängig von der Verwendung verschiedener Substrate eingestellt werden muß. Wenn z. B. das Substrat ein solches ist, welches durch epitaktisches Wachstum von Au erhalten wird, so gibt es zwischen den Kristalldomänen gewisse Grenzen, wobei allerdings die Oberflächenrauhigkeit innerhalb einer Domäne nur wenige Angström beträgt (das heißt, der Größe von Atomen). Damit darf der Versatzwert nicht auf das obige Verhältnis von 15% und 85% festgelegt werden, sondern der obige Effekt lässt sich weiter steigern, wenn man das Verhältnis von 5% : 95% wählt.
In den Fällen, in denen das Substrat eine höhere Oberflächenrauhigkeit als der aufgedampfte Au-Film bewirkt, wie er bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, lässt sich das Verhältnis je nach Substrat einstellen auf beispielsweise 30% : 70%.
In jedem Fall lässt sich die Distanz zum Zurückziehen der Sonde dadurch steigern, dass man je nach Beschaffenheit der Oberfläche des verwendeten Trägers einen gewissen Versatz zugibt, um das Zentrum der Stellungsregelung der Sonde näher an den Träger heranzubringen.

[Ausführungsform 2]

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
Die grundlegende Anordnung zum Addieren des Versatzes ist die gleiche wie bei der Ausführungsform 1, allerdings ist die vorliegende Ausführungsform gekennzeichnet durch eine automatische Versatz-Justierung.
Als nächstes soll der Betrieb der Z-Steuerschaltung 107 dieser Ausführungsform erläutert werden.
Der zwischen der Sonde 101 und dem Aufzeichnungsträger 102 fließende Tunnelstrom Jt wird in die Fehlersignal-Erzeugungseinheit 304 eingegeben.
Die das so eingegebene Tunnelstromsignal Jt empfangende Fehlersignal-Erzeugungseinheit 304 erzeugt ein Differenzsignal zwischen dem empfangenden Signal und dem vorbestimmten Referenzstromwert, und sie berechnet, wie weit die Sonde von demjenigen Abstand zwischen Sonde und Aufzeichnungsträger abweicht, welcher durch den Referenzstromwert definiert wird, um ein Abweichungssignal auszugeben. Ein Fehlersignal bezüglich des Abweichungsbetrags wird in eine Erzeugungseinheit 302 für eine Feinbewegungs-Steuerausgabe eingegeben, um in einen aktuellen Stellwert oder Steuerwert umgewandelt zu werden. Bei dieser Gelegenheit wird bei dieser Ausführungsform von der PID-Regelung Gebrauch gemacht.
Als nächstes wird dieses Steuerbetrag-Signal über drei Wege geleitet. Erstens läuft das Signal durch ein Tiefpaßfilter (LPF) 306 und wird dann mit einem Einstellwert in einem Vergleichswert 309 verglichen. Abhängig vom Vergleichsergebnis wird ein Signal zu der Erzeugungseinheit 301 für eine Grobbewegungs-Steuerausgabe gesendet, und diese Einheit 301 treibt den Grobbewegungsmechanismus 104 über das TPF 310 und den Verstärker 308. Das TPF 310 dient zum Umwandeln von stufenweisen Änderungen eines von der Erzeugungseinheit für die Grobbewegungs- Steuerausgabe ausgegebenen Treibersignals in allmählichere Übergänge mit einer vorbestimmten Zeitkonstante.
Außerdem läuft das von der Erzeugungseinheit 302 für die Feinbewegungs-Steuerausgabe ausgegebene Steuersignal durch ein Hochpaßfilter (HPF) 305, um in ein Signal mit ausschließlich einer Wechselstromkomponente umgewandelt zu werden, danach wird das Signal in die Versatzerzeugungseinheit 303 eingegeben.
Die Versatz-Erzeugungseinheit 303 ermittelt aus dem Betrag der Wechselstromkomponente einen Versatzwert. Der Einstellwert bei dieser Ausführungsform wird automatisch auf eine Addition der minimalen Auflösung (0,5 nm) des Grobbewegungsmechanismus 104 zu einer Versatzbreite der gemessenen Wechselstromkomponente eingestellt.
Der ausgegebene Versatzwert wird auf den Steuerbetrag addiert, der von der Erzeugungseinheit 302 für die Feinbewegungs-Steuerausgabe erzeugt wird, und der Vorgang findet in einem Addierer 307 genau so wie bei der Ausführungsform 1 statt. Das resultierende Signal wird als Treibersignal über einen Verstärker 308 an den Feinbewegungsmechanismus 103 gelegt.
Der Verstärker 308 hat den gleichen Mechanismus wie bei der Ausführungsform 1.
Als nächstes wird anhand der Fig. 4 und der Fig. 5 der Betrieb des Grobbewegungsmechanismus in Verbindung mit dem des Feinbewegungsmechanismus für die Ausführungsform 2 beschrieben.
Fig. 4 zeigt die Relationen unter dem Antriebshub für den Feinbewegungsmechanismus, den Antriebshub für den Grobbewegungsmechanismus, die Stromstärke etc., wenn der Abstand zwischen der Sonde und dem Träger allmählich abnimmt aufgrund einer Neigung des Trägers oder dergleichen, wobei letzterer Vorgang von 0 bis t1 verläuft, mit der Bezugsgröße (0) zu einem gewissen Zeitpunkt, woraufhin dann der Abstand zwischen t1 und t2 allmählich zunimmt. In der Zeichnung bedeutet c den Versatzwert, der von der Versatzerzeugungseinheit eingestellt wird. Die Abstände zwischen bc und zwischen dc sind so eingestellt, dass sie einen Schritt (0,5 nm) des Grobbewegungsmechanismus entsprechen, was der gleiche Abstand zwischen ef ist. Außerdem ist der Abstand zwischen ab die Versetzungsbreite der Hochfrequenzkomponente des Antriebshubs des Feinbewegungsmechanismus.
Wenn der Antriebshub des Feinbewegungsmechanismus allmählich abnimmt, wird seine niederfrequente Komponente geringer als d. Zu diesem Zeitpunkt gibt der Vergleicher 309 ein Signal aus zum Verringern des Antriebshubs um einen Schritt an die Erzeugungseinheit 301 für die Grobbewegungs-Steuerausgabe, um dadurch den Versatz des Grobbewegungsmechanismus 104 einen Schritt kleiner zu machen. Dieser Schrittvorgang wird von dem TPF verlangsamt, so dass er ausreichend langsamer ist als die Betriebsgeschwindigkeit des Feinbewegungsmechanismus, demzufolge sich im Strom keine Änderung beobachten lässt.
Während der Zeitdauer von t1 bis t2 hingegen nimmt der Versetzungshub des Feinbewegungsmechanismus allmählich zu, und wenn die niederfrequente Komponente größer als b wird, gibt der Vergleicher 309 ein Signal an die Erzeugungseinheit 301 für die Grobbewegungs-Steuerausgabe, durch welches der Steuerbetrag um einen Schritt erhöht wird.
Im Ergebnis wird der Versetzungshub des Grobbewegungsmechanismus um eine Stufe größer, und außerdem wird der Feinbewegungsmechanismus ansprechend darauf geregelt. Im Strom wird auch in diesem Fall keine Änderung beobachtet.
Anhand der Fig. 5 wird der Fall erläutert, dass sich starke strukturelle Änderungen zeigen.
Wenn bei t1 eine große absteigende Stufe in Erscheinung tritt, so zieht zunächst der Feinbewegungsmechanismus 103 die Sonde rasch nach oben.
In diesem Fall fließt ein kleiner Strom in Form einer Spitze, es findet jedoch keine Kollision zwischen der Sonde und dem Träger statt. Die niederfrequente Komponente der Feinbewegungs-Steuerausgabe beginnt, sich mit kurzer Verzögerung danach zu ändern und geht dann unter d, was einen Versatz des Grobbewegungsmechanismus zur Folge hat. Weil in diesem Fall ein Änderungsbetrag der niederfrequenten Komponente gerade das Doppelte des Abstands zwischen cd ausmacht, liefert der Vergleicher einen Befehl, um den Grobbewegungsmechanismus um zwei Stufen anzutreiben.
Im Ergebnis ist ef in Fig. 5 gegenüber ef in Fig. 4 verdoppelt. Dies bringt das Wechselstrom-Angriffszentrum des Feinbewegungsmechanismus in die Nähe der Position von c zurück.
Als nächstes ist bei t2 ein Fall dargestellt, dass eine stark abfallende Stufe vorhanden ist. In diesem Fall gelangt der Antriebshub des Feinbewegungsmechanismus bei a in Sättigung, da er a nicht überschreiten kann. Weil allerdings die Erzeugungseinheit 302 für die Feinbewegungs-Steuerausgabe fortgesetzt den Abweichungsbetrag berechnet, wird die niederfrequente Komponente der Feinbewegungs-Steuerausgabe fortgesetzt in den Vergleicher eingegeben, ohne dass bei a in Sättigung gelangt wird.
Ermittelnd, dass der Abweichungsbetrag zwei Schritte ausmacht, gibt der Vergleicher einen Befehl zum Versetzen des Grobbewegungsmechanismus um zwei Schritte an die Erzeugungseinheit 301 für die Grobbewegungs-Steuerausgabe.
Hierdurch wird der Antriebshub für den Grobbewegungsmechanismus gleich dem Versatz von ef, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Weil in diesem Fall allerdings der Antriebshub des Feinbewegungsmechanismus an der Stelle a in Sättigung gelangt ist, lässt sich der Abstand zwischen der Sonde und dem Träger nicht aufrecht erhalten, und deshalb fällt die Stromstärke an dieser Stelle plötzlich ab.
Wenngleich ein solcher Abfall des Stroms ein Problem bei der Oberflächenbetrachtung mit einem RTM sein könnte, lässt sich das Speichersystem beispielsweise in richtiger Weise dazu einsetzen, von vorne herein solche Stellen beim Schreiben zu vermeiden oder eine Fehlerkorrektur vorzunehmen, etc. Aufzeichnungs- und Wiedergabetests wurden anhand des oben beschriebenen Speichersystems durchgeführt, und es wurde bestätigt, dass die Haltbarkeit der Sonde ähnlich wie bei der Ausführungsform 1 um ein Mehrfaches verbessert wurde im Vergleich zu den herkömmlichen Fällen.

[Ausführungsform 3]

Bei dieser Ausführungsform dient ein elektrostatisch angetriebener Torsionshebel als Feinbewegungsmechanismus.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus, bei dem ein elektrostatisch angetriebener Torsionshebel als Feinbewegungsmechanismus in der in Fig. 1 gezeigten Schaltung übermittelt. In Fig. 6 nicht dargestellte Abschnitte sind die gleichen wie in Fig. 1. Eine Sonde 601 ist an einem Hebel 602 angeordnet, der von einem Torsionsstab 603 gehalten wird.
Wenn zwischen einer Antriebselektrode 604 an dem Hebel und eine Antriebselektrode 605 an einer Halterungsbasis von einer Z-Steuerschaltung 607 eine Vorspannung gelegt wird, so kommt es zwischen den Teilen zu einer elektrostatischen Anziehung, der zufolge der Hebel versetzt wird. Bezugszeichen 606 bezeichnet eine Elektrode auf der Seite des Aufzeichnungsträgers. 608 steht für eine Vorspannungsschaltung zum Anlegen einer Vorspannung zum lesen oder zum Schreiben zwischen eine Sonde 601 und ein Trägersubstrat 606.
Fig. 7 zeigt in schematischer Querschnittansicht und in Draufsicht die Sonde, die tatsächlich mit Hilfe eines Halbleiterverarbeitungsverfahrens hergestellt wurde. In Fig. 7 ist die Oberansicht eine Darstellung für Veranschaulichung des Hebels parallel zu der Oberfläche der Halterungsbasis, während die untere Ansicht dazu dient, den Hebel in Richtung der Oberfläche der Halterungsbasis zu sehen. Teile oder Elemente 701 bis 705 in Fig. 7 entsprechen den Teilen 601 bis 605 in Fig. 6. 706 steht für die Halterungsbasis, 707 für eine zur Stromerfassung dienende Verdrahtung, 708 für eine Verdrahtung für eine Treiberspannung, die an die auf der Seite der Halterungsbasis befindliche Antriebselektrode gelegt wird, und 709 für eine Verdrahtung für eine Treiberspannung, die an die Treiberelektrode gelegt wird, die sich auf der Seite des Hebels befindet. Die Verdrahtung 709 für das Anlegen der Treiberspannung führt von der Rückseite (gestrichelte Linie) des Hebels zu dessen Vorderseite (ausgezogene Linie). Der in Fig. 6 gezeigte typische Torsionshebel wird angetrieben durch die Anziehung zwischen den Elektroden sowie eine Rückstell-Torsionskraft des Torsionsstabs. Der Hebel wird zu einem Punkt zurückgestellt, an welchem keine Kraft wirkt (neutraler Punkt), und zwar lediglich durch die Rückstellkraft des Torsionsstabs. Aus diesem Grund erfolgt die Rückstellung zum neutralen Punkt rasch durch eine größere Kraft, wenn der Versetzungshub von dem neutralen Punkt aus vergrößert wird. Die Zeit, die erforderlich ist, um zu dem neutralen Punkt zurückzukehren, hängt von einer Resonanzfrequenz des Hebels ab. Andererseits wird die Rückkehrgeschwindigkeit des Hebels höher, wenn der Hub der vorhergehenden Versetzung vergrößert wird. Durch Ausnutzung dieses Phänomens lässt sich die Sonde von einer großen vorstehenden Struktur auf dem Trägersubstrat zurückziehen. Bei dieser Ausführungsform wird der elektrostatisch angetriebene Torsionshebel als Feinbewegungsmechanismus gemäß Fig. 4 eingesetzt (dort ist der Grobbewegungsmechanismus nicht gezeigt), und es wird die automatische Versatz- Justierung ähnlich wie bei der Ausführungsform 2 eingesetzt.
Mit dem obigen Speichersystem wurden Aufzeichnungs- und Wiedergabetests durchgeführt. Im Ergebnis zeigte sich, dass die Haltbarkeit der Sonde um das Mehrfache der herkömmlichen Sonde verbessert werden kann, ähnlich wie bei der Ausführungsform 2.
Da die vorliegende Erfindung eine solche Anordnung schafft, dass das Antriebs- Steuerzentrum des Antriebsmechanismus in der oben beschriebenen Weise mit dem Zweck versetzt wird, eine Rückzieh- oder Zurückweich-Grenze der Sonde gegenüber dem Träger zwangsweise möglichst groß zu machen, wie es oben erläutert wurde, lässt sich eine Kollision zwischen der Sonde und dem Träger vermeiden und die Sondenspitze lässt sich vor einer Verformung bewahren, demzufolge die Probenspitze für eine viel längere Zeitspanne als in bekannten Fällen saubergehalten werden kann. Mit diesen Wertungen lassen sich Zeit und Arbeitsaufwand beim Austauschen der Sonde verringern, der Verschleiß an den Sonden selbst lässt sich ebenfalls verringern, wodurch insgesamt die Betriebskosten des Speichersystems reduziert werden.
Da außerdem sowohl der Feinbewegungsmechanismus als auch der Grobbewegungsmechanismus so ausgestaltet sind, dass beide Mechanismen erfindungsgemäß verknüpft arbeiten, sind sie in ausreichendem Maß gewappnet für Nuten in der Größenordnung von einigen nm, bedingt durch Korngrenzen zwischen Kristallen, wobei der Zustand der Substratelektrode nicht superflach ist, sondern Differenzen in den Kristallhöhen zwischen Körnern vorhanden sind, etc.
Wenn das erfindungsgemäße System für die Sonde eines elektrostatisch angetriebenen Torsionshebels eingesetzt wird, lässt sich eine starke Rückstellkraft durch eine Versatzverlagerung erreichen, die vorab eingerichtet wird, und eine Hebelsteuerung durchgeführt wird. Die Geschwindigkeit vom Zurückstellen des Hebels lässt sich steigern, so dass der Vorgang durch Zurückziehen der Sonde mit hoher Geschwindigkeit auch dann ausgeführt werden kann, wenn die Kristallhöhe unter den Kristallkörnern oder Nuten Schwankungen unterliegen.
Außerdem ist es einfach, mehrere Arten von Substraten einzusetzen, indem man eine Oberflächenrauhigkeit (Vorsprünge und Vertiefungen) lokal mißt und einen Versatz vorab anstellt.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen betrafen Systeme unter Ausnutzung eines Tunnelstroms, allerdings ist die vorliegende Erfindung auch wirksam einsetzbar bei Systemen, die eine andere physikalische Größe als den Tunnelstrom nützen, beispielsweise solche die flüchtiges Licht oder dergleichen nutzen.

Claims

1. Informationsverarbeitungsvorrichtung, die ein zwischen einer Sonde (101) und einer Probe (102) auftretendes physikalisches Phänomen zum Erfassen von Information von der Probe ausnutzt, umfassend:

Eine Einrichtung (103, 104) zum Bewegen der Sonde, um einen Abstand zwischen der Sonde und der Probe einzustellen;

eine Einrichtung (105, 106) zum Erfassen eines physikalischen Phänomens, das zwischen der Sonde und der Probe auftritt;

eine Einrichtung (202, 204; 30, 304) zum Erzeugen eines Steuersignals für die Bewegungseinrichtung, um den Abstand zwischen der Sonde und der Probe auf einen Sollabstand zu ändern, basierend auf dem Ergebnis des Erfassens durch die Erfassungseinrichtung, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (203; 303) zum Zuführen eines Versatzsignals auf das Steuersignal, damit die Sonde sich mit Hilfe der Bewegungseinrichtung in Bezug auf eine Referenzgröße bewegen kann, die sich an einer Stelle befindet, die gegenüber der Mittelstellung des Gesamt-Bewegungsbereichs der Sonde in eine Richtung näher zu der Probe hin abweicht.

2. Informationsverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das physikalische Phänomen ein Tunnelstrom ist.

3. Informationsverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das physikalische Phänomen flüchtiges Licht ist.

4. Informatiosverarbeitungsvorrichtung nach Anpruch 1, weiterhin umfassend:

eine Einrichtung (205, 306) zum Extrahieren einer niederfrequenten Komponente des Steuersignals; und

eine Grobbewegungseinrichtung (104) zum Bewegen der Bewegungseinrichtung in Richtungen rechtwinklig zu der Probe, basierend auf der niederfrequenten Komponente.

5. Informationsverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Versatzsignal-Anwendungseinrichtung aufweist:

eine Einrichtung (305) zum Extrahieren einer hochfrequenten Komponente des Steuersignals; und

eine Einrichtung (303) zum Erzeugen des Versatzsignals basierend auf der hochfrequenten Komponente.