DE3856336T2

DE3856336T2 - Mikrosonde

Info

Publication number: DE3856336T2
Application number: DE3856336T
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Kaneko; Haruki Kawada; Hisaaki Kawade; Eigo Kawakami; Toshimitsu Kawase; Hideya Kumomi; Hiroshi Matsuda; Yoko Morikawa; Hiroyasu Nose; Kunihiro Sakai; Yoshihiro Yanagisawa
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-09-24
Filing date: 1988-09-21
Publication date: 2000-01-27
Anticipated expiration: 2008-09-22
Also published as: US5072116A; DE3850544D1; EP0309236B1; EP0309236A2; DE3850544T2; EP0309236A3; CA1312952C; DE3856336D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikrosonde, die einen extrem kleinen Radius der Rundung im Bereich des Spitzenendes besitzt, und die als Sonde zur Messung von Muskelaktivitätsströmen, als Sonde für STM beziehungsweise RTM (Scanning Tunneling Microscopy, Rastertunnelmikroskopie), als Sonde für eine Vorrichtung zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe mit hoher Dichte oder als Sonde zur Verwendung in einem Enkoder zur Durchführung von Ortsinformationsmessungen bei der Mikroortsbestimmung, Messung räumlicher Abmessungen, Entfernungsmessung, Geschwindigkeitsmessung und so weiter verwendet wird.
In den letzten Jahren ist die Aufzeichnungskapazität von Daten bei Vorrichtungen zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe Jahr für Jahr exponentiell gewachsen, und die Größe der Aufzeichnungseinheit wurde kleiner, während die Aufzeichnungsdichte höher wurde. Zum Beispiel ist bei Audio-CDs die Größe der Aufzeichnungseinheit sogar auf 1 um² gesunken. Im Hintergrund läuft eine intensive Entwicklung von Speichermaterialien, und es erscheinen jetzt preisgünstige Aufzeichnungsträger mit hoher Dichte unter Verwendung eines organischen Dünnfilms eines organischen Farbstoffes, eines Fotopolymers und dergleichen auf dem Markt.
Auf der anderen Seite wurde das Rastertunnelmikroskop (im folgenden abgekürzt als RTM) entwickelt, das in der Lage ist, direkt die Elektronenstruktur der Oberflächenatome eines Leiters zu beobachten [G. Binnig et al., Helvetica Physica Acta 55, 726 (1982)], und es wurde möglich, ein räumliches Bild mit hoher Auflösung aufzunehmen, unabhängig davon, ob es sich um einen Einkristall oder um amorphes Material handelt, und es gibt auch den Vorteil, daß die Beobachtung bei niedriger Energie möglich ist, ohne das Untersuchungsobjekt zu beschädigen. Weiter kann es auch für verschiedene Materialien verwendet werden, da es bei Normaldruck betrieben werden kann, und man kann deshalb ein weites Feld von Anwendungen dafür erwarten.
RTM nutzt das Phänomen aus, daß ein Tunnelstrom fließt, wenn eine Metallsonde (Sondenelektrode) und eine elektrisch leitfähige Substanz einander auf eine Entfernung von etwa 1 nm genähert werden, wobei eine Spannung dazwischen angelegt wird. Der Strom reagiert sehr empfindlich auf Entfernungsänderungen zwischen den beiden, und indem die Probe in der Weise abgetastet wird, daß der Strom oder die durchschnittliche Entfernung zwischen den beiden konstant gehalten werden kann, kann eine Oberflächeninformation über die dreidimensionalen Abmessungen erhalten werden. In diesem Fall beträgt die Auflösungsleistung in der Richtung der Ebene etwa 1 Å.
Durch Anwendung des Prinzips von RTM ist es möglich, Aufzeichnung und Wiedergabe hoher Dichte auf atomarer Ebene ausreichend gut auszuführen (mehrere Å). Als Verfahren zur Aufzeichnung und Wiedergabe wurde in diesem Fall vorgeschlagen, die Aufzeichnung durch Änderung des Oberflächenzustandes einer geeigneten Aufzeichnungsschicht unter Verwendung einer Teilchenstrahlung (Elektronenstrahl, Ionenstrahl) oder einer hochenergetischen, elektromagnetischen Welle, wie zum Beispiel Röntgenstrahlen, oder einer Energiestrahlung, wie zum Beispiel sichtbarem Licht, ultraviolettem Licht und dergleichen, durchzuführen und die Wiedergabe durch RTM zu erzielen, oder Aufzeichnung und Wiedergabe mit Hilfe der RTM durchzuführen unter Verwendung einer Dünnfilmschicht als Aufzeichnungsschicht, die aus einem Material mit einem Speichereffekt für die Schalteigenschaft von Spannung und Strom besteht, wie zum Beispiel einer organischen Verbindung mit π-Elektronensystem oder einem Chalcogenid.
Zur Durchführung von Aufzeichnung und Wiedergabe auf molekularer Ebene gilt, daß die Aufzeichnungsdichte um so größer wird, je kleiner der Radius der Rundung des Sondenspitzenendes ist, das der Aufzeichnungsschicht gegenübergestellt ist. Deshalb ist idealerweise eine Sonde gewünscht, die eine Spitze besitzt, deren Größe im atomaren Bereich liegt.
Zur Messung des Muskelaktivitätsstroms eines menschlichen Körpers muß, da eine einzelne Zelle eines menschlichen Körpers eine winzige Größe von etwa 2 um besitzt, der Radius der Rundung des Spitzenteils einer Mikrosonde wirklich winzig klein sein.
Weiter besteht ein Enkoder aus einer Standardskala mit Informationen bezüglich Position oder Winkel und einer Nachweiseinrichtung zum Feststellen der Informationen bezüglich Position oder Winkel durch Bewegung relativ dazu. Die Enkoder werden, abhängig von der Standardskala und der Nachweiseinrichtung, in verschiedene Typen eingeteilt, wie zum Beispiel optische Enkoder, magnetische Enkoder, Kapazitätsenkoder und dergleichen.
Als Enkoder mit einer Auflösungsleistung im atomaren Bereich gibt es die Vorrichtung zum Feststellen paralleler Bewegung, die in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 62-209302 offenbart ist, die das grundlegende Prinzip des Rastertunnelmikroskopes, das in US-Patent 4343993 offenbart ist, anwendet, das, wie bereits bekannt, in der Lage ist, die Informationen einer Probenoberfläche mit einer Auflösungsleistung im atomaren Bereich zu beobachten.
Nach dem Stand der Technik ist ein solcher Enkoder mit einer Standardskala bezüglich der Länge und einer Sonde in der Nähe der Skala versehen und hat die Funktion, durch Signalverarbeitung die Information aus dem Tunnelstrom zu enkodieren, der zwischen der Standardskala, die mit einem Antriebsmechanismus versehen ist, und einer Sonde als Signalquelle fließt.
Die Sonde zum Nachweis des Tunnelstroms des genannten Enkoders muß einen kleinen Radius der Rundung des Spitzenendes haben, um einen Enkoder mit hoher Leistung und hoher Auflösung bereitzustellen.
Nach dem Stand der Technik wurde die Sonde, die eine solche Spitze mit einem kleinen Radius der Rundung besitzt, unter Verwendung des mechanischen oder des elektrolytischen Polierens hergestellt. Gemäß dem mechanischen Polierverfahren ist es möglich, eine Sonde herzustellen, die einen feinen Spitzenteil besitzt mit einem Radius der Rundung von 5 bis 10 um, indem ein Draht aus faserigem Kristall (Pt und dergleichen) mit Hilfe einer Uhrmacherdrehbank geschnitten und poliert wird. Gemäß dem elektrolytischen Polierverfahren wird ein Draht von 1 mm Durchmesser oder weniger (W und dergleichen) vertikal in Achsenrichtung gehalten, in einen Elektrolyten etwa 1 bis 2 mm weit eingetaucht und dann dem elektrolytischen Polieren unterworfen durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Draht und der Gegenelektrode im Elektrolyten, wodurch eine Sonde mit einer feinen Spitze von etwa 0,1 bis 1 um Radius der Rundung hergestellt werden kann.
Bei den vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren der Mikrosonde nach dem Stand der Technik hat allerdings das Schneideverfahren den Nachteil, daß die Sonde bald gebogen wird, weil sie unter Belastung gesetzt wird, während das elektrolytische Polierverfahren, obwohl, verglichen mit dem Schneideverfahren, feinere Sonden hergestellt werden können, den Nachteil hat, daß es sehr schwer ist, eine feine Sonde mit einem Radius der Rundung in der Größenordnung des atomaren oder molekularen Bereichs herzustellen.
Es ist ebenfalls schwierig, gemäß dem Herstellungsverfahren für Mikrosonden nach dem Stand der Technik eine Mikrosonde, deren Radius der Rundung an der Spitze im atomaren oder molekularen Bereich liegt, mit hoher Reproduzierbarkeit herzustellen.
Die gemäß dem vorstehenden Verfahren hergestellte Sondenelektrode besitzt, weil sie auf einer Vorrichtung durch Festhalten durch Fixieren mit einer Schraube oder einer Federkraft angebracht ist, eine geringe Steifigkeit, was die Spitze der Sondenelektrode betrifft, was nämlich den Nachteil einer niedrigen natürlichen Frequenz hat.
Weil bei Verwendung der Sonde, die nach dem Verfahren des Standes der Technik hergestellt wurde, die tunnelstromziehende Elektrode vom Nachweisteil getrennt ist, ist sie empfindlich gegen akustische Schwingungen, Bodenerschütterungen und elektrisches Rauschen, wodurch die Menge von Informationen, die durch die Sonde aufgenommen werden kann, verringert wird.
Weiter wird zum Beispiel in der Vorrichtung zur Aufnahme beziehungsweise Wiedergabe mit hoher Dichte, wie sie vorstehend erwähnt wurde, die Bewegungsentfernung der Sonde immer länger, da die Aufzeichnung oder Wiedergabe von Daten durch Abtasten des XY-Tisches unter Bewegung einer Sonde durchgeführt wird, wodurch der Nachteil auftritt, daß die Aufzeichnungs- und Wiedergabegeschwindigkeit immer langsamer wird.
So wurde der Wunsch nach einer Sonde laut, die einen kleinen Radius der Rundung der Spitze besitzt.
Es wird auf EP-A-0194323 hingewiesen, die ein Rastertunnelmikroskop offenbart, das einen Halbleiterchip einschließt, der mit einer Zunge gebildet wird, die eine integrierte, herausstehende Spitze trägt. Diese Spitze besteht aus einem einkristallinen Silicium vom n-Typ und ist mit der Oberfläche einer gezüchteten Dünnfilmschicht aus bordotiertem Silicium in Kontakt. Diese Dünnfilmschicht, die epitaxial auf einer epitaxialen Substratschicht aus einkristallinem Silicium vom n-Typ gezüchtet wurde, wird im Verlauf der Herstellung als Auslegerzunge geformt und von der Oberfläche des Substrates durch Ätzen räumlich getrennt.
Hingewiesen wird auch auf US-A-4575822, das eine Datenspeichervorrichtung offenbart, die Tunnelstromtechniken verwendet, die eine Mikrosonde umfaßt, die durch Züchten eines Goldkristalls auf einem Substrat erhalten wird.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Mikrosonde bereitgestellt, die einen Einkristall umfaßt, der in Kontakt mit der Oberfläche eines einkristallinien Substrates bereitgestellt wird, wobei der Kristall einen hervorstehenden Bereich aufweist, der von bestimmten Kristallflächen umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall an einer örtlich festgelegten Stelle bereitgestellt ist, an der ein Material, das sich von dem Kristall und von dem Substrat unterscheidet, bereitgestellt ist, und zwar derart, daß es in Kontakt mit dem Einkristall steht und von ihm bedeckt ist, wobei sich der Einkristall über das Material hinaus ausdehnt und auch einen Teil der Oberfläche des Substrates abdeckt.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Mikrosonde bereitgestellt, die einen Einkristall umfaßt, der in Kontakt mit einem Dünnfilm bereitgestellt wird, der auf einem einkristallinen Substrat gebildet ist, wobei der Kristall einen hervorstehenden Bereich aufweist, der von bestimmten Kristallflächen umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall an einer örtlich festgelegten Stelle bereitgestellt ist, an der ein Material, das sich von dem Kristall und von dem Dünnfilm unterscheidet, bereitgestellt ist, und zwar derart, daß es in Kontakt mit dem Einkristall steht und von ihm bedeckt ist, wobei sich der Einkristall über das Material hinaus ausdehnt und auch einen Teil der Oberfläche des Substrates abdeckt.
Eine Sonde gemäß diesem Gesichtspunkt der Erfindung kann durch das Verfahren hergestellt werden, bei dem auf ein einkristallines Substrat eine Isolationsschicht aufgetragen wird, die eine Öffnung hat, so daß ein Teil des einkristallinen Substrates offenliegen kann, und darauf durch selektive epitaktische Züchtung aus dieser Öffnung heraus ein Einkristall gezüchtet wird, der einen hervorstehenden Bereich besitzt, der von Kristallflächen umgeben ist, die eine be stimmte Gitternetzebenenrichtung besitzen und eine bestimmte Gitternetzebene umfassen.
Die Erfindung ermöglicht es, unter Verwendung eines Einkristalls als Sondenelektrode eine Aufzeichnung und eine Wiedergabe mit hoher Dichte und hoher Verläßlichkeit oder eine Ortsbestimmung und eine Längenmessung mit hoher Präzision durchzuführen.
Die erfindungsgemäße Sonde kann in einer elektronischen Vorrichtung zur Aufzeichnung und Wiedergabe oder in einer elektronischen Vorrichtung, die einen Enkoder umfaßt, verwendet werden.
Die Sonde kann in einer elektronischen Vorrichtung zur Durchführung von Aufzeichnung und Wiedergabe verwendet werden, die ein Aufzeichnungsmaterial, das der Sondenelektrode gegenüber angeordnet ist, und eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmaterial besitzt.
Auch kann die Sonde in einer elektronischen Vorrichtung verwendet werden, die eine elektrisch leitende Standardskala, die der Standard bezüglich der Länge wird, worin die Spitze der Sonde in der Nähe der Standardskalenoberfläche angeordnet ist, eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der Standardskala und der Sonde, eine Einrichtung zum Nachweis des Tunnelstromwertes, der zwischen der Standardskala und der Sonde fließt, und zur Ausgabe des Signals, das der Größe der relativen Bewegung in Seitenrichtung zwischen der Standardskala und der Sonde entspricht auf Basis des Ausgabesignals von der Signalausgabeeinrichtung, und eine Einrichtung zum Zählen der Werte der relativen Abweichung in Seitenrichtung zwischen der Standardskala und der Sonde aus den Signalen der Größe der relativen Bewegung in Seitenrichtung und der relativen Bewegungsrichtung umfaßt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 3 ist eine Draufsicht der Ausführungsform, in der die Erfindung für eine Stromnachweissonde eingesetzt wird.
Fig. 4 und Fig. 5 sind jeweils Schnittansichten entlang den Linien A-A und B-B in Fig. 3, die Herstellungsschritte zeigen.
Fig. 6 ist eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform, in der die Erfindung für eine Stromnachweissonde eingesetzt wird.
Fig. 7 und Fig. 8 sind jeweils Schnittansichten entlang den Linien A-A und B-B in Fig. 6, die Herstellungsschritte darstellen.
Fig. 9 und Fig. 10 sind Draufsichten der Ausführungsform, in der die Erfindung für eine Mehrfachstromnachweissonde eingesetzt wird.
Fig. 11 ist eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrosonde.
Fig. 12 ist eine Schnittansicht noch einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrosonde.
Fig. 13 ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung des Prinzipes der Kristallbildungsbehandlung.
Fig. 14 und Fig. 15 sind jeweils Schnittansichten entlang der Linien A-A und B-B in Fig. 3, die andere Herstellungsschritte darstellen.
Fig. 16 ist eine perspektivische Ansicht der äußeren Form durch die Gitternetzebene des Si-Einkristalls mit der Ebenenrichtung (100).
Fig. 17 ist ein schematisches Diagramm der Vorrichtung zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe unter Verwendung der erfindungsgemäßen Mikroelektrode.
Fig. 18 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der Vorrichtung zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe mit hoher Dichte unter Verwendung der erfindungsgemäßen Mehrfachmikrosonde darstellt.
Fig. 19 und Fig. 20 sind jeweils Charakteristik-Auftragungen, die die Strom- Spannungs-Charakteristiken des Aufzeichnungsmaterials 184 in Fig. 17 und Fig. 18 darstellen.
Fig. 21 ist ein Blockdiagramm, das eine Veranschaulichung der Vorrichtung zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe darstellt.
Fig. 22 ist ein Prinzipdiagramm, das die Positionsbeziehung zwischen der Koordinatenachse der erfindungsgemäßen Sonde und der Aufzeichnungsposition darstellt.
Fig. 23A ist eine Draufsicht, die eine Erscheinungsform des erfindungsgemäßen Aufzeichnungsmaterials darstellt.
Fig. 23B ist eine Schnittansicht davon entlang der A-A'-Linie.
Fig. 24 ist ein schematisches Diagramm, das eine Art der Positionsbeziehung zwischen der Koordinatenachse und der Aufzeichnungsposition auf der Oberfläche des erfindungsgemäßen Aufzeichnungsmaterials darstellt.
Fig. 25A ist eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Aufzeichnungsmaterials.
Fig. 25B ist eine Schnittansicht davon entlang der Linie A-A'.
Fig. 26 ist ein schematisches Diagramm, das die Aufzeichnungsposition auf der Oberfläche des Aufzeichnungsmaterials darstellt.
Fig. 27A ist eine Draufsicht eines anderen Aufzeichnungsmaterials, das in der Erfindung verwendet wird.
Fig. 27B ist eine Schnittansicht davon entlang der Linie A-A!.
Fig. 28 ist ein Aufbaudiagramm des Enkoders, der auf der Grundlage des Tunnelstromnachweises arbeitet, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Und Fig. 29 und Fig. 30 sind Wellenformen, die die Signale darstellen, die in den entsprechenden Bestandteilen aus Fig. 28 erhalten werden.
Die Mikrosonde kann durch ein Verfahren hergestellt werden, das es umfaßt, daß (a) auf einer Hauptoberfläche eines einkristallinen Substrates oder (b) einem gewünschten Teil eines Dünnfilms, der auf einer Hauptoberfläche eines einkristallinen Substrates gebildet wurde, eine andere Art von Material mit ausreichend größerer Keimbildungsdichte als der des Substrates oder des Dünnfilms und ausreichend kleinen Abmessungen, daß nur ein Keim darauf gezüchtet werden kann, bereitgestellt wird und ein Einkristall aus einem Material, das sich von der anderen Art Material unterscheidet, in Kontakt mit (a) dem einkristallinen Substrat oder (b) dem Dünnfilm gebildet wird, indem ein einzelner Keim auf der anderen Art Material gezüchtet wird.
Im folgenden sollen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden.
Als erstes ist ein Beispiel einer Mikrosonde, die die Erfindung verkörpert, in Fig. 1 dargestellt. Darin ist Einkristallsonde 4 dargestellt, die einen Dünnfilm (Isolationsfilm) 2, eine Elektrode 3 auf einem Träger 1 und einen informationslesenden Bereich 5 an ihrer Spitze besitzt.
Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform, in der die gemäß der Erfindung gebildete Einkristallsonde 4 mehrfach bereitgestellt ist.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die die Mikrosonde als Stromnachweissonde verwendet, ist in Draufsicht in Fig. 3 dargestellt.
In dieser Ausführungsform ist eine Einkristallsonde 4 mit einem hervorstehenden Teil, der von bestimmten Kristallflächen umgeben ist, auf einem Substrat bereitgestellt (nicht in Fig. 3 dargestellt). In der Nachbarschaft der Einkristallsonde 4 sind eine Source-Elektrode 32, eine Gate-Elektrode 31, eine Drain-Elektrode 33 und ein Dünnfilmwiderstand 35 bereitgestellt. Diese machen einen MOS-Transistor 34 zur Verstärkung des Sondenstroms aus. Der Sondenstrom, der durch die Sonde 4 nachgewiesen wird, liegt in der Größenordnung von 10&supmin;&sup9; A, aber durch die Verstärkung mit dem MOS-Transistor 34 kann ein Sondenstrom in der Größenordnung von 10&supmin;&sup7; A erhalten werden. Auch kann, da der Sondenstrom, der von der Einkristallsonde 4 nachgewiesen wird, sofort verstärkt wird, ohne vom Substrat weg nach außen geleitet zu werden, das Signalrauschverhältnis bei weitem stärker verbessert werden verglichen mit dem Fall, bei dem der Sondenstrom verstärkt wird, nachdem er vom Substrat weg nach außen geleitet wurde.
Als nächstes soll ein Verfahren zur Herstellung der Stromnachweissonde in Fig. 3 beschrieben werden.
Fig. 4 ist ein Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 3, die den ersten Herstellungsschritt zeigt.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 3, die den ersten Herstellungsschritt zeigt.
Wie in Fig. 4 dargestellt, besitzt die Mikrosonde dieser Ausführungsform ein anderes Material 41 und eine Einkristallsonde 4, die Wolfram (W) umfaßt und auf Grundlage dieses anderen Materials 41 gebildet wurde, das auf einem Siliciumdioxidfilm 2 (SiO&sub2;) bereitgestellt wurde, der auf einem Siliciumträger 1 gebildet wurde. Weiter ist in der Nachbarschaft der Einkristallsonde 4 ein MOS-Transistor 34 zur Verstärkung des Sondenstroms bereitgestellt. Der MOS-Transistor 34 besitzt eine Gate-Elektrode 31, die Aluminium umfaßt, eine Source-Elektrode 32 und eine Drain-Elektrode 33, die Aluminium (Al) umfasen, und einen Dünnfilmwiderstand 35, der ein Material, wie zum Beispiel Ruthenium und dergleichen, umfaßt. Allerdings sind die Materialien für die entsprechenden Elektroden nicht auf die vorstehend erwähnten begrenzt, sondern können auch ein Metall, wie zum Beispiel Al, Au, Cu, Ag, Cr, W und dergleichen, oder ein Silicid eines solchen Metalls umfassen. Das Plättchen aus dem anderen Material 41, das in dieser Ausführungsform verwendet wurde, besaß eine Größe von 1 um, und als Ergebnis der Herstellung nach dem nachfolgend beschriebenen Herstellungsverfahren wurde eine sehr feine Einkristallsonde 4 erhalten, die einen Spitzendurchmesser in der Größenordnung von 0,1 um oder weniger besaß.
Als nächstes ist ein Verfahren zur Herstellung der Mikrosonden, die in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellt sind, genauer zu beschreiben.
Zuerst wird, wie in Fig. 4A und Fig. 5A dargestellt, ein Siliciumhalbleitersubstrat 1 vom p-Typ hergestellt und auf seiner einen Hauptoberfläche ein Siliciumdioxidfilm 2 (SiO&sub2;) gebildet. In einem Bereich, der für die Bildung des MOS-Transistors 34 vorgesehen ist, werden n&spplus;-Diffusionsschichtbereiche 51 mit eindiffundiertem Antimon (Sb) gebildet, die Source- beziehungsweise Drain-Bereiche werden. Als nächstes wird, wie in Fig. 4B dargestellt, auf dem Siliciumdioxidfilm 2 das andere Material 41 mit Hilfe des Vakuumverdampfungsverfahrens abgeschieden und dann mit der Fotolithografietechnik bearbeitet zur Ausbildung ei ner Oberfläche von 1 um². Als nächstes werden, wie in Fig. 5B dargestellt, Öffnungen in der Schicht 2 gebildet. Der Träger 1 wird dann in einen auf 500ºC erhitzten Reaktionsofen gelegt, und man läßt eine Gasmischung aus WF&sub6;-Gas und H&sub2;-Gas unter verringertem Druck von 1 Torr (1 Torr 133,32 Pa) einströmen bei Strömungsgeschwindigkeiten von 75 cm³/min beziehungsweise 10 cm³/min. Durch diese Maßnahmen beginnt ein Wolframkristall um das Plättchen aus dem anderen Material 41 herum als Zentrum zu wachsen, da das Plättchen aus dem anderen Material 41, das Silicium umfaßt, eine bei weitem größere Keimbildungsdichte im Vergleich zum Siliciumdioxidfilm 2 besitzt. Zu diesem Zeitpunkt wird, da das Plättchen aus dem anderen Material 41 ausreichend fein ist derart, daß nur ein einzelner Kristallkeim wachsen kann, ein einzelner Kristallkeim auf dem Plättchen aus dem anderen Material 41 gebildet, und der Kristallkeim wächst weiter unter Beibehaltung der Einkristallstruktur, wodurch die Einkristallsonde 4 (Fig. 4C) gebildet wird. Eine Gate-Elektrode 31 wird mit dem Sputterverfahren (Fig. 4D, Fig. 5C) gebildet. Dann werden Dünnfilmwiderstandsmaterialien, wie zum Beispiel Aluminium und Ruthenium, aufgedampft und unter Verwendung der Fotolithografietechnik bearbeitet, um die Source-Elektrode 32, die Drain-Elektrode 33 und den Dünnfilmwiderstand 35 des MOS-Transistors 34 zu bilden, wodurch eine Mikrosonde mit einem MOS-Transistor zur Verstärkung, wie in Fig. 3 und Fig. 5D dargestellt, erhalten wurde. Die vorstehend genannte Gate-Elektrode 31 kann auch als polykristalline Gate-Elektrode ausgeführt werden.
Eine andere Ausführungsform wird nachstehend beschrieben.
Fig. 6 bis Fig. 8 sind Zeichnungen zur Veranschaulichung einer Ausführungsform einer Mikrosonde und ihrer Herstellung gemäß der Erfindung, wobei Figg. 7A bis 7D Schnittansichten entlang der Linie A-A in Fig. 6 der Hauptherstellungsschritte darstellen, Figg. 8A bis 8D Schnittansichten entlang der Linie B-B in Fig. 6 der Hauptschritte darstellen und Fig. 6 eine Draufsicht auf die fertige Mikrosonde darstellt.
Wie in Fig. 6 gezeigt, besitzt die Mikrosonde dieser Ausführungsform Plättchen aus anderen Materialien 41 und 42 und eine Einkristallsonde 4, die Wolfram (W) umfaßt und auf der Grundlage der Plättchen aus dem anderen Material 41 gebildet wird, das auf dem Siliciumdioxidfilm 2 (SiO&sub2;) bereitgestellt ist, der auf dem Siliciumsubstrat 1 gebildet wurde, und weiter ist in der Nachbarschaft der Einkristallsonde 4 der MOS-Transistor 34 zur Verstärkung des Sondenstroms be reitgestellt. Der MOS-Transistor 34 besitzt eine polykristalline Gate-Elektrode 61, die Wolfram umfaßt und auf der Grundlage des Plättchen aus dem anderen Material 42 gebildet wurde, eine Source-Elektrode 32 und eine Drain-Elektrode 33, die Aluminium (Al) umfassen, und einen Dünnfilmwiderstand 35, der ein Material, wie zum Beispiel Ruthenium und dergleichen, umfaßt. Das Plättchen aus dem anderen Material 41, das in dieser Ausführungsform verwendet wird, besitzt eine Größe von 1 um², und es wird als Ergebnis der Herstellung nach dem nachfolgend beschriebenen Herstellungsverfahren eine sehr feine Einzelsonde 4 mit einem Spitzendurchmesser in der Größenordnung von 0,1 um oder weniger erhalten.
Das Verfahren zur Herstellung der Mikrosonde in Fig. 6 ist im folgenden zu beschreiben.
Zuerst wird, wie in Fig. 7A und 8A dargestellt, ein Siliciumhalbleitersubstrat 1 vom p-Typ hergestellt und ein Siliciumdioxidfilm 2 (SiO&sub2;) auf einer seiner Hauptoberflächen gebildet. Im Gebiet zur Bildung des MOS-Transistors 34 wird eine Schicht 51 mit n&spplus;-Dotierung mit eindiffundiertem Antimon (Sb) gebildet, die als Source- beziehungsweise Drain-Bereich dient. Als nächstes wird, wie in Fig. 7B und Fig. 8B dargestellt, auf dem Siliciumdioxidfilm 2 Silicium mit dem Vakuumbedampfungsverfahren abgeschieden und mit Hilfe der Fotolithografietechnik bearbeitet zur Bildung eines Plättchens aus einem anderen Material 41 mit einer Fläche von 1 um² und eines Plättchens aus anderem Material 42, das sich in die längere Richtung des Substrates 1 ausdehnt. Die Entfernung zwischen dem Plättchen aus dem anderen Material 41 und dem Plättchen aus dem anderen Material 42 wird auf etwa 50 um festgelegt, was der Größe des Radius des zu bildenden Einkristalls entspricht. Als nächstes wird der Träger 1 in einen auf 500ºC erhitzten Reaktionsofen gelegt, und man läßt eine Gasmischung aus WF&sub6;- Gas und H&sub2;-Gas unter verringertem Druck von 1 Torr einströmen bei Strömungsgeschwindigkeiten von 75 cm³/min beziehungsweise 10 cm³/min. Durch diese Maßnahmen beginnen, da die Keimbildungsdichte der Plättchen aus dem anderen Material 41 und dem anderen Material 42, die Silicium umfassen, bei weitem größer ist als die Keimbildungsdichte des Siliciumdioxidfilms 2, Wolframeinkristalle rund um die Plättchen aus dem anderen Material 41 und dem anderen Material 42 als Zentren zu wachsen. Zu dieser Zeit wird, da das Plättchen aus dem anderen Material 41 genügend fein ist derart, daß nur ein Einkristall wachsen kann, ein einzelner Keim auf dem Plättchen aus dem anderen Material 41 gebildet, und dieser Keim wächst weiter unter Beibehaltung der Einkristall struktur, wodurch sich eine Einkristallsonde 4 bildet. Auf der anderen Seite wird, da das Plättchen aus dem anderen Material 42 nicht so fein ist, daß es nur die Züchtung eines einzelnen Kristall zuließe, eine polykristalline Gate-Elektrode 61, die Wolfram umfaßt, auf dem Plättchen aus dem anderen Material 42 gebildet (Fig. 7C und Fig. 8C). Als nächstes wird, wie in Fig. 7D und 8D dargestellt, die polykristalline Gate-Elektrode 61 unter Verwendung der Fotolithografietechnik bearbeitet, wobei eine polykristalline Gate-Elektrode 61 erhalten wird, die eine festgelegte Breite besitzt. Als nächstes werden Dünnfilmwiderstandsmaterialien, wie zum Beispiel Aluminium (Al) und Ruthenium, aufgedampft und unter Verwendung der Fotolithografietechnik bearbeitet zur Bildung der Source- Elektrode 32, der Drain-Elektrode 33 und des Dünnfilmwiderstandes 35 für den MOS-Transistor, wobei eine Mikrosonde erhalten wird, die einen MOS-Transistor 34 zur Vorverstärkung nach Fig. 6 und Fig. 8E besitzt.
In dieser Ausführungsform wird die Einkristallsonde 4, die Wolfram umfaßt, unter Verwendung von Silicium als Plättchen aus dem anderen Material 41 auf dem Siliciumdioxidfilm 2, gebildet, aber das Material für die Einkristallsonde ist nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel ist es auch möglich, eine Einkristallsonde 4, die Silicium umfaßt, unter Verwendung von Siliciumnitrid als das Plättchen aus dem anderen Material 41, das ebenfalls für die Mikrosonde verwendet werden kann, auf dem Siliciumdioxidfilm 2 zu bilden.
Die Sondenelektrode kann, wie vorstehend beschrieben, in mehrfacher Ausführung gebildet werden.
Fig. 9 zeigt schematisch eine Draufsicht einer Mehrfachsondenelektrode gemäß Fig. 3, und Fig. 10 veranschaulicht schematisch die Draufsicht einer Mehrfachsondenelektrode gemäß Fig. 6. In Fig. 9 bezeichnet die Nummer 2 einen Dünnfilm, der auf einem Substrat gebildet wurde, 4a und 4b Einkristallsonden, 31a und 31b Gate-Elektroden, 32a und 32b Source-Elektroden, 33a und 33b Drain- Elektroden, 34a und 34b MOS-Transistoren, und 35a und 35b Dünnfilmwiderstände.
Insbesondere besitzt die Mehrfachmikrosonde dieser Ausführungsform, wie in Fig. 10 dargestellt, Plättchen aus dem anderem Material 41a und 41b und Plättchen aus dem anderem Material 42a und 42b und Einkristallsonden 4a und 4b, die Wolfram (W) umfassen und auf der Grundlage der anderen Materialien 41a und 41b gebildet wurden, die auf dem Siliciumdioxidfilm 2 (SiO&sub2;) bereitgestellt sind, der auf dem Siliciumträger gebildet wurde, und weiter sind in der Nachbarschaft der Einkristallsonden 4a und 4b MOS-Transistoren 34a und 34b zur Verstärkung des Sondenstroms bereitgestellt. Der MOS-Transistor 34 besitzt polykristalline Gate-Elektroden 61a und 61b, die Wolfram umfassen und auf der Grundlage der Plättchen aus dem anderen Material 42a und 42b gebildet wurden, Source-Elektroden 32a und 32b und Drain-Elektroden 33a und 33b, die Aluminium (Al) umfassen, und Dünnfilmwiderstände 35a und 35b, die ein Material wie zum Beispiel Ruthenium und dergleichen umfassen.
In dieser Ausführungsform sind aus Bequemlichkeit die Abmessungen der Plättchen aus dem anderen Material 41 auf 1 um festgelegt, aber es ist möglich, ein Plättchen aus dem anderen Material 41 von bis zu mehreren um oder von unter 1 um zu bilden, indem es nach Abscheiden des anderen Materials unter Verwendung der Sputtertechnik, der CVD-Technik, des Vakuumbedampfungsverfahrens und dergleichen bearbeitet wird unter Verwendung der Ultrafeinbearbeitungstechnik, die Röntgenstrahlen, Elektronenstrahlen oder Ionenstrahlen einsetzt, und durch genaue Steuerung der Prozeßbedingungen kann eine feine Einzelsonde 4 mit einem Rundungsradius der Spitze in molekularer oder atomarer Größenordnung erhalten werden.
Fig. 11 ist eine Schnittansicht, welche die Struktur einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrosonde darstellt.
In dieser Ausführungsform wird ein Plättchen aus dem anderen Material 41 direkt auf dem Substrat 1 bereitgestellt und eine Einzelsonde 4 darauf gezüchtet. In diesem Fall ist es erforderlich, daß das ausgewählte Plättchen aus dem anderen Material 41 eine gute Haftfähigkeit am Substrat 1 und ebenso eine ausreichend größere Keimbildungsdichte im Vergleich zum Substrat 1 besitzt. Auch können, wenn die Einkristallsonde 4, wie in dieser Ausführungsform, direkt auf dem Substrat 1 gebildet werden soll, anstelle des bereitgestellten Plättchens aus dem anderen Material 41 Ionen selektiv in einen Teil des Substrates 1 eingebaut werden unter Verwendung der Ionenstrahlbündeltechnik, wobei eine Schicht mit großer Keimbildungsdichte in diesem Bereich gebildet wird.
Fig. 12 ist eine Schnittansicht, die eine andere Ausführungsform der Mikrosonde der vorliegenden Erfindung darstellt.
Diese Ausführungsform besitzt ein Substrat 1 mit einem hervorstehenden mittleren Teil, und eine Einkristallsonde 4 wird auf diesem hervorstehenden Teil gebildet. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Höhe der Sonde durch die Form des Substrates 1 gesteuert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen, die vorstehend beschrieben wurden, begrenzt, sondern es sind verschiedene Modifikationen möglich. Auch kann, wenn eine Einkristallsonde auf einem Dünnfilm mit einer ausreichend kleinen Keimbildungsdichte gebildet wird, das Substrat entweder eine Wafer aus einkristallinem Silicium oder ein Quarzsubstrat sein, oder es kann weiter ein einkristallines Substrat aus Metall, Halbleitermaterial, magnetischem Material, piezoelektrischem Material, isolierendem Material und dergleichen verwendet werden. Der Vorverstärker ist nicht auf einen MOS-Transistor beschränkt, sondern es kann ein bipolarer Transistor verwendet und seine Struktur und sein Herstellungsverfahren können geeignet ausgewählt werden. Der Vorverstärker kann vor Bildung der Einkristallsonde oder alternativ nach Bildung der Einkristallsonde hergestellt werden. Nach Vervollständigung des Kristallwachstums der Einkristallsonde, kann die Sonde mit Hilfe des Elektrofeldpolierverfahrens oder des Plasmaätzverfahrens nachbearbeitet werden.
Das heißt, die Einkristallsonde 4, die in Fig. 1 dargestellt ist, kann auch mit anderen Verfahren gebildet werden als mit dem Verfahren, das in Fig. 4 und Fig. 7 dargestellt ist, wie vorstehend beschrieben.
In dem Verfahren wird eine isolierende Schicht mit einer Öffnung, die einen Teil des Einkristallsubstrates freigibt, auf einem Einkristallsubstrat bereitgestellt, und es wird unter Verwendung der Isolationsschicht als Maske ein hervorstehender Bereich, der von den Kristallflächen umgrenzt ist, die festgelegte Ebenenabstände besitzen und spezifische Kristallebenen umfassen, von der vorstehenden Öffnung aus einer selektiven epitaxialen Züchtung unterworfen, wobei ein Einkristall gezüchtet wird.
Im folgenden soll das Verfahren für das Kristallwachstum beschrieben werden.
Sein Grundprinzip beruht auf dem selektiven epitaxialen Wachstum und dem epitaxialen Querwachstumsverfahren. Selektives epitaxiales Wachstum wird auf einem Einkristallsubstrat (einem Material mit großem Keimbildungsfaktor) dadurch bewirkt, daß die Unterschiede in Faktoren, die die Keimbildung während des Kristallwachstumsprozesses beeinflussen, für unterschiedliche Materialien ausgenutzt werden, wie zum Beispiel Oberflächenenergie, Haftkoeffizient, Oberflächendiffusionsgeschwindigkeit und dergleichen.
So wird durch Verhinderung der Bildung eines stabilen Keims auf der Maske (Material mit kleinem Keimbildungsfaktor - deshalb wächst kein Kristall auf der Maske) Epitaxialwachstum nur auf der Oberfläche des Einkristallsubstrates zugelassen, die an der Öffnung der Maske freigelegt ist.
Bei dem in der Erfindung zu verwendenden Kristallwachstumsverfahren wird, da die Maskenoberfläche eine nicht keimbildende Oberfläche ist, die Bildung solcher stabilen Keime verhindert, und Kristallwachstum geschieht selektiv nur von dem Einkristallsubstrat aus an den Öffnungen der Maske.
Der während dieses Zeitraums ablaufende Kristallwachstumsprozeß wird beschrieben unter Bezug auf Figg. 13A bis 13D. Zuerst wird, wie in Fig. 13A dargestellt ist, eine Kristallbildungsbehandlung auf das Einkristallsubstrat 1 mit einer gewünschten Kristallrichtung, die durch eine Öffnung 133 bereitgestellt wird, mit der die Oberfläche des Einkristallsubstrates 1 offengelegt wird, angewendet mit Hilfe des Kristallwachstumsverfahrens gemäß vorstehender Beschreibung und unter Wachstumsbedingungen, bei denen keine stabilen Kristallkeime auf der Oberfläche der Maske 2 gebildet werden (insbesondere unter den Bedingungen, die später in Tabelle 1 dargestellt sind). Der Kristall wächst nun epitaxial ausschließlich von der Einkristalloberfläche am Boden der Öffnung 133 aus und füllt dabei allmählich die Öffnung 133 (Fig. 13b) aus. Hierbei behält der Kristall 134 während des Wachstums die Informationen des Einkristallsubstrates bezüglich seiner Kristallinität, wie zum Beispiel bezüglich der Kristallrichtung und dergleichen, bei. Im Verlauf des Wachstumsprozesses wächst der Kristall 134 wenigstens über die Maske 2 hinaus derart, daß er die Oberfläche der Maske 2 bedeckt (Überwachsen) und dabei ein Einkristall 4 wird, der eine äußere Form aufweist, die Kristallflächen besitzt (Fig. 13C). Die äußere Form des Einkristalls, die durch die Kristallflächen gegeben ist, wächst zu einem großen Einkristall 4 heran, wie in Fig. 13b dargestellt, was von einem Anwachsen der Größe der Oberfläche des Einkristalls 4 begleitet ist. Der Einkristall 4 besitzt die gleiche Kristallrichtung wie das Einkristallsubstrat 1, wenn sein Material das gleiche ist wie das des Einkristallsubstrates 1 und wenn das Material die gleiche Symmetrie und ungefähr gleiche Gitterkonstanten besitzt, selbst wenn es verschieden ist. Entsprechend haben, selbst wenn eine Vielzahl von Kristallen auf dem Substrat gebildet werden können, diese Kristalle alle eine äußere Form mit der gleichen Kristallrichtung.
Das Verfahren zur Herstellung der vorliegenden Stromnachweissonde, die in Fig. 3 dargestellt ist und mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde, nämlich dem zweite Verfahren, wird beschrieben unter Bezugnahme auf Fig. 14 und Fig. 15.
Zuerst wird auf einer der Oberflächen des Siliciumeinkristallsubstrates 1 vom p- Typ mit einer Ebenenrichtung von (100) durch thermische Oxidation ein Isolationsfilm 2 gebildet (Fig. 14A und Fig. 15B), der einen Siliciumdioxidfilm (SiO&sub2;) mit einer Dicke von etwa 2000 Å (1 Å 0,1 nm) umfaßt, und dann wird unter Verwendung der Fotolithografletechnik eine Öffnung 133 (Durchmesser 1,2 um) in einer Matrix mit Abständen von 50 um gebildet (Fig. 14B und Fig. 15B). Als nächstes wird unter Anwendung solcher Hilfsmittel wie Verunreinigungsduffusion oder Ionenimplantation auf das Siliciumeinkristallsubstrat 1 vom p-Typ ein Gebiet 51 vom n&spplus;-Typ gebildet (Fig. 14C und Fig. 15C). Dadurch wird ein p-n- Übergang gebildet. Dann wird die Kristallbildungsbehandlung nach dem CVD- Verfahren auf das Substrat angewendet unter Wachstumsbedingungen, die nachstehend (Tabelle 1) dargestellt sind.

Tabelle 1

Druck: 150 Torr
Verwendete Gase: SiH&sub2;Cl&sub2; (Ausgangsgas) + HCl (Ätzgas) + H&sub2; (Trägergas)
Gasflußgeschwindigkeitsverhältnis: SiH&sub2;Cl&sub2; : HCl : H&sub2; = 1,2 : 2,4 : 100
Substrattemperatur: 1030ºC
Wachstumszeit: 10 min
Als Ergebnis werden in allen Öffnungen als jeweiligem Zentrum Siliciumeinkristalle mit etwa 15 um Keimgröße gebildet (Fig. 14D), die einen herausstehenden Bereich besitzen, der von den Kristallflächen umgeben ist, wie es in Fig. 16 dargestellt ist. Auch werden, wie in Fig. 15C dargestellt, nach der Bildung des p-n- Übergangs die Source-Elektrode 32, der Dünnfilmwiderstand 35, die Gate-Elektrode 31 und die Drain-Elektrode 33 mit dem Sputterverfahren gebildet, wodurch Fig. 15D erhalten wird. Als Elektrodenmaterialien können Al und dergleichen und als Dünnfilmwiderstandsmaterialien können Ruthenium und dergleichen verwendet werden.
Gemäß diesen Schritten konnte eine stromnachweisende Mikrosonde 4, die einen MOS-Transistor 34 zur Vorverstärkung des nachgewiesenen Stroms besaß, hergestellt werden, wie in Fig. 3, Fig. 14E und Fig. 15D dargestellt.
Wenn die vorliegende Erfindung zur Herstellung einer stromnachweisenden Sonde angewendet wird, ist die beschriebene Ausführungsform nicht begrenzend, sondern das Einkristallsubstrat kann zum Beispiel auch ein Substrat aus einem Metall, einem magnetischen Material, einem piezoelektrischen Material, einem isolierenden Material und dergleichen bestehen. Die Elektrodenmaterialien, die Isolationsfilme und der Dünnfilmwiderstand der Erfindung sind nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.
Das Verfahren zur Kristallbildungsbehandlung schließt zum Beispiel das CVD- Verfahren, das LPE-Verfahren, das MOCVD-Verfahren und dergleichen ein, aber natürlich können auch andere Verfahren als diese verwendet werden.
Das Material für das Kristallwachstum ist ein anderes Material als das Material des Einkristallsubstrates. Zum Beispiel kann, wenn das Einkristallsubstrat aus Ge hergestellt ist, das Material für das Kristallwachstum aus Si, GaAs, GaAlAs oder anderen verträglichen Halbleiterverbindungen bestehen. Ebenso kann auf ähnliche Weise, wenn das Einkristallsubstrat aus Si besteht, das Material für das Kristallwachstum aus Ge, GaAs, GaAlAs und anderen verträglichen Halbleiterverbindungen bestehen.
Die Kristallflächen und der hervorstehende Bereich der Einkristallsonde, die durch das Verfahren, das in Fig. 4 oder Fig. 14 dargestellt wird, erhalten wird, werden im folgenden beschrieben.
Der beschriebene Einkristall nimmt eine Wachstumsform an, die von Kristallflächen umgeben ist, die bestimmte Gitternetzebenen umfassen, was auf der Anisotropie der Wachstumsgeschwindigkeit beruht. Obwohl die Gitternetzebenen, welche die Kristallflächen bilden, im allgemeinen Flächen mit langsamer Wachstumsgeschwindigkeit sind, ist die Wachstumsgeschwindigkeit empfindlich gegen Änderungen der Umgebungsbedingungen während des Wachstums, und ihre Anisotropie ist ebenfalls groß, und infolgedessen hängt die Wachstumsform des Einkristalls vom Wachstumsverfahren und den Wachstumsbedingungen ab. Entsprechend kann, wenn ein Einkristallsubstrat ausgewählt wird, das eine geeignete, dem Kristall, der darauf wachsen soll, entsprechende Gitternetzebenenrichtung besitzt, darauf eine Maske gebildet wird und eine Kristallbildungsbehandlung mit Hilfe eines geeignet ausgewählten Wachstumsverfahrens und geeigneten Wachstumsbedingungen darauf angewendet wird, ein Einkristall erhalten werden, der einen hervorstehenden Bereich besitzt, der von Kristallflächen umgeben ist. Fig. 16 ist eine perspektivische Ansicht eines auf diese Weise hergestellten Einkristalls. Der Einkristall besitzt jeweils Kristallflächen, die 4 (111)- Gitternetzebenen 162a, 8 Gitternetzebenen 162b und hochdimensionale Gitternetzebenen 163 zwischen (311) und (411) umfassen, und bildet einen hervorstehenden Bereich 161 aus den vier dreieckigen Flächen 163. Da die Kristallfläche 163 eine kristallografische Kristallfläche ist, ist die Spitze des hervorstehenden Bereiches 161 im Prinzip mit einer Spitzendicke im atomaren Bereich versehen. Die erfindungsgemäße Mikrosonde besitzt so eine stabile Struktur, und die Verbesserung ihrer Leistung wird erhalten, indem der Einkristall so gebildet wird, daß er einen spitzen, hervorstehenden Bereich an der gewünschten Position mit guter Steuerbarkeit besitzt.
Durch Variation der Wachstumsbedingungen kann der Einkristall in einer äußeren, durch die Kristallflächen gestalteten Form gezüchtet werden mit einem hervorstehenden Bereich, der von den Kristallflächen mit Gitternetzebene (111) umgeben ist.
Fig. 17 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines Beispiels einer Vorrichtung zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe bei hoher Dichte unter Verwendung der erfindungsgemäßen Mikrosonde darstellt.
Die Vorrichtung zum Aufzeichnen und Wiedergeben mit hoher Dichte schreibt die Daten, indem sie selektiv Bereiche mit niedrigem Widerstand (AN-Zustand) durch Anlegen einer Schreibspannung zwischen den beiden Enden der Aufzeichnungsschicht bildet, die anfangs in den Zustand mit hohem Widerstand (AUS- Zustand) überführt wurden, und führt die Wiedergabe dieser Daten durch, indem sie während der Wiedergabe den Tunnelstrom über die Sonde nachweist durch Anlegen einer Spannung, die kleiner ist als die Schaltschwellenspannung. In einer solchen Vorrichtung zum Aufzeichnen und Wiedergeben mit hoher Dichte umfaßt das Aufzeichnungsmaterial 184 ein Substrat 181, eine Substratelektrode 182 und eine Aufzeichnungsschicht 183, und ist auf einem Sockelteil 185 aufgelegt und fixiert. Der Grobjustagemechanismus 179 wird bereitgestellt zur Grobjustagesteuerung der Position des Aufzeichnungsmaterials 184 in vertikaler Richtung, um die Entfernung zwischen dem Aufzeichnungsmaterial 184 und der Einkristallsonde 4 auf einem bestimmten Wert zu halten, und wird vom Grobjustagesteuerschaltkreis 178 angesteuert. Unter dem Grobjustagemechanismus ist weiter ein XY-Iisch 180 bereitgestellt, der die Position des Aufzeichnungsmaterials 184 in der XY-Richtung verschieben kann. Die Impulsenergiequelle 174 ist bereitgestellt zum Anlegen einer Impulsspannung zum Aufzeichnen beziehungsweise Löschen zwischen der Einkristallsondenelektrode 4 und der Substratelektrode 182. Der Sondenstromverstärker 177 verstärkt den Sondenstrom an der Einkristallsonde 4 und liefert ihn dem Servoschaltkreis 176, und der Servoschaltkreis 176 steuert die Bewegung des Feinjustagesteuermechanismusses 175 in vertikaler Richtung, so daß der Strom vom Sondenstromverstärker 177 auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann. Die Bewegung des Feinjustagemechanismusses 175 in der XY-Richtung wird durch den XY-Abtaststeuerschaltkreis 173 gesteuert. Jeder Schaltkreis wird umfassend durch einen Mikrocomputer 172 gesteuert, und die Verarbeitungsinformation im Mikrocomputer 172 wird auf der Anzeigevorrichtung 171 dargestellt.
Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wurde, während die Entfernung der Sonde 4 zur Aufzeichnungsschicht 183 durch Steuerung des Feinjustagesteuermechanismusses 175 konstant gehalten wurde (in der Größenordnung von Nanometern) und der XY-Tisch 180 bewegt wurde, durch Anlegen einer Aufzeichnungsimpulsspannung an die Aufzeichnungsschicht 183 eine Aufzeichnung durchgeführt, und danach wurde die Wiedergabe durchgeführt. Als Ergebnis konnte eine Auflösungsleistung der Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe von 1 um erreicht werden. Auf diese Weise wurde klar gezeigt, daß die Einkristallmikrosonde 4, die nach dem vorstehenden Verfahren hergestellt wurde, einen sehr feinen Spitzendurchmesser besitzt und geeignet ist für den Einsatz in der Praxis.
Da die Mikrosonde 4 einen MOS-Transistor 34 zur Vorverstärkung auf dem Substrat besitzt, kann ein Sondenstrom erhalten werden, der um zwei Zehnerpotenzen größer ist im Vergleich zum Sondenstrom, der von konventionellen Sonden erhalten wird, so daß das Signalrauschverhältnis verbessert wird.
Fig. 18 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines Beispiels einer Vorrichtung zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe bei hoher Dichte darstellt, wenn die Sonde, die in Fig. 17 dargestellt ist, mehrfach eingesetzt wird.
In der Vorrichtung zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe mit hoher Dichte, welche die Mehrfachsonde besitzt, können die zwei Sonden 4a und 4b Aufzeichnung und Wiedergabe unabhängig voneinander durchführen.
Das vorstehend erwähnte Aufzeichnungsmaterial 184 mit hoher Dichte kann aus einem Material hergestellt sein, welches das Speicherschaltphänomen (elektrischer Speichereffekt) in seiner Strom-Spannungs-Charakteristik aufweist.
Zum Beispiel können eingeschlossen werden:
(1) Amorphe Halbleiter, wie zum Beispiel Oxidglas, Boratglas oder Chalcogenidglas, das Se-, Te- und As-Verbindungen mit einem Element der Periodensystemgruppen III, IV, V oder VI und dergleichen enthält. Sie sind intrinsische Halbleiter mit einem Abstand des optischen Bandes Eg von 0,6 bis 1,4 eV oder einer elektrischen Aktivierungsenergie ΔE von etwa 0,7 bis 1,6 eV. Spezifische Beispiele des Chalcogenidglases können ein As-Se-Te-System, ein Ge-As-Se-System beziehungsweise ein Si-Ge-As-Te-System, wie zum Beispiel Si&sub1;&sub6;Ge&sub1;&sub4;As&sub5;Te&sub6;&sub5; (Index bedeutet Atom-%) oder ein Ge-Te-X-System beziehungsweise ein Si-Te-X- System (X = kleine Menge eines Elementes der Gruppen V oder VI), wie zum Beispiel Ge&sub1;&sub5;Te&sub8;&sub1;Sb&sub2;S&sub2;, einschließen.
Weiter kann auch ein Chalcogenidglas des Ge-Sb-Se-Systems verwendet werden.
In der amorphen Halbleiterschicht, welche die vorstehend genannte Verbindung auf der Elektrode abgeschieden besitzt, kann der elektrische Speichereffekt des Materials nachgewiesen werden durch Anlegen einer Spannung unter Verwendung der Sondenelektrode in der Richtung vertikal zur Filmoberfläche.
Um die Aufgabe der Erfindung zu erfüllen, kann als Verfahren zur Abscheidung eines solchen Materials die Dünnfilmbildungstechnik verwendet werden, die in der Technik bekannt ist. Zum Beispiel kann als ein bevorzugtes Filmbildungsverfahren das Vakuumbedampfungsverfahren oder das Clusterionenstrahlverfahren eingesetzt werden. Allgemein gesprochen wird der elektrische Speichereffekt eines solchen Materials bei einer Filmdicke von mehren um oder weniger beobach tet, und obwohl der Film bevorzugt dünner sein kann, was die Aufzeichnungsauflösungsleistung als Aufzeichnungsmaterial betrifft, ist ein Film mit einer Dicke von 100 Å bis 1 um bevorzugt vom Gesichtspunkt der Gleichmäßigkeit und der Aufzeichnungseigenschaften her, weiter bevorzugt von 10001 oder weniger.
(2) Weiter können auch organische Halbleiterschichten eingeschlossen werden, die dadurch hergestellt werden, daß ein Salz eines Metalls, das ein relativ niedrigeres Reduktionspotential besitzt, wie zum Beispiel Kupfer oder Silber, mit einer Elektronenakzeptorverbindung, wie zum Beispiel Tetrachinodimethan (TCNQ), TCNQ-Derivaten, wie zum Beispiel Tetrafluortetracyanochinodimethan (TCNQF&sub4;), Tetracyanoethylen (TCNE) und Tetracyanonaphthochinodimethan (TNAP) und dergleichen, an einer Elektrode abgeschieden wird.
Als Verfahren zur Bildung einer solchen organischen Halbleiterschicht kann das Verfahren eingesetzt werden, in dem die genannte Elektronenakzeptorverbindung durch Vakuumbedampfung auf der Elektrode aus Kupfer oder Silber abgeschieden wird.
Der elektrische Speichereffekt einer solchen organischen Halbleiterschicht wird für diejenigen Schichten beobachtet, die eine Filmdicke von einigen zehn um oder weniger besitzen, aber diejenigen mit einer Filmdicke von 100 A bis 1 um sind bevorzugt vom Gesichtspunkt der Filmbildungseigenschaft und der Gleichmäßigkeit her betrachtet.
(3) Weiter kann ein Aufzeichnungsmaterial, das amorphes Silicium als Material umfaßt, eingesetzt werden. Zum Beispiel kann ein Aufzeichnungsmaterial eingesetzt werden, das folgenden Schichtaufbau besitzt:
Metall/A-Si (p&spplus;-Schicht / n-Schicht / i-Schicht)
oder
Metall / A-Si (n&spplus;-Schicht / p-Schicht / i-Schicht)
Abscheidung der entsprechenden Schichten aus A-Si können nach den bekannten Verfahren des Standes der Technik zufriedenstellend durchgeführt werden. In der Erfindung kann das Glimmentladungsverfahren (GD) bevorzugt eingesetzt werden. Die Filmdicke des A-Si kann bevorzugt 2000 Å bis 8000 Å für die n-Schicht und etwa 1000 Å für die p&spplus;-Schicht betragen, und die gesamte Filmdicke kann bevorzugt etwa 0,5 um bis 1 um betragen.
(4) Weiter kann auch ein Aufzeichnungsmaterial eingeschlossen werden, das ein Molekül umfaßt, das in Kombination eine Gruppe mit π-Elektronenzustand und eine Gruppe mit nur σ-Elektronenzustand besitzt, und das auf die Elektrode aufgetragen wird.
Als Struktur von Farbstoffen, die ein geeignetes π-Elektronensystem für die Erfindung besitzen, können zum Beispiel eingeschlossen werden: Farbstoffe mit Porphyrinskelett, wie zum Beispiel Phthalocyanine, Tetraphenylporphyrine und dergleichen, Farbstoffe vom Azulentyp mit Squariliumgruppen und Croconmethingruppen als bindende Gruppen, cyaninanaloge Farbstoffe mit heterocyclischen Ringen, die zwei Heteroatome enthalten, wie zum Beispiel Chinolin, Benzothiazol, Benzoxazol und dergleichen, gebunden mit einer Squariliumgruppe und einer Croconmethingruppe, Cyaninfarbstoffe, kondensierte, polycyclische Aromaten, wie zum Beispiel Anthracen und Pyren, Kettenverbindungen, die durch Polymerisation aromatischer oder heterocyclischer Ringverbindungen gebildet werden, Polymere aus Diacetylengruppen, Tetrachinodimethan- oder Tetrathiafulvalenderivate, ihre Analogen und ihre Charge-Transfer-Komplexe, und weiter Metallkomplexverbindungen, wie zum Beispiel Ferrocen, Trisbipyridyl- Rutheniumkomplex und dergleichen.
Bezüglich der Bildung eines organischen Aufzeichnungsmaterials ist es, obwohl die Anwendung des Vakuumbedampfungsverfahren oder des Clusterionenstrahlverfahrens als spezifische Beispiele möglich sind, ganz besonders bevorzugt, aus den Techniken des Standes der Technik das LB-Verfahren zu verwenden wegen seiner Kontrollierbarkeit, leichten Handhabbarkeit und Reproduzierbarkeit.
Nach dem LB-Verfahren kann ein monomolekularer Film einer organischen Verbindung, die einen hydrophoben und einen hydrophilen Bereich im selben Molekül besitzt, oder ein aus solchen monomolekularen Schichten zusammengesetzter Film leicht auf einem Substrat gebildet werden, und ein organischer Ultradünnfilm, der über einen großen Bereich gleichmäßig und homogen ist, kann zuverlässig bereitgestellt werden.
Das LB-Verfahren ist ein Verfahren zur Herstellung eines monomolekularen oder eines aus solchen monomolekularen Schichten zusammengesetzten Films unter Ausnutzung der Tatsache, daß bei Molekülen mit einer Struktur, die einen hydrophilen und einen hydrophoben Bereich im selben Molekül aufweist, wenn ein ausreichender Ausgleich zwischen den beiden erreicht wird (amphiphile Balance), die Moleküle eine monomolekulare Schicht auf der Wasseroberfläche bilden, wobei die hydrophilen Gruppen nach unten zeigen.
Als Gruppe, die den hydrophoben Bereich ausmacht, können verschiedene allgemein bekannte, hydrophobe Gruppen eingeschlossen werden, wie zum Beispiel gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffgruppen oder kondensierte, polycyclische, aromatische Gruppen und polycyclische Phenylkettengruppen und dergleichen. Diese bilden den hydrophoben Teil entweder alleine oder als Kombination einer Vielzahl von ihnen. Auf der anderen Seite können als repräsentativste Vertreter, welche die hydrophile Gruppe ausmachen, hydrophile Gruppen eingeschlossen werden, wie zum Beispiel die Carboxylgruppe, die Estergruppe, die Säureamidgruppe, die Imidgruppe, die Hydroxylgruppe, weiter Aminogruppen (primäre, sekundäre, tertiäre und quaternäre) und dergleichen. Diese bilden ebenfalls alleine oder in Kombination den hydrophilen Anteil des genannten Moleküls.
Ein Farbstoffmolekül, das diese hydrophilen und hydrophoben Gruppen in guter Balance und dazu ein π-Elektronensystem mit angemessener Größe besitzt, kann einen monomolekularen Film auf der Wasseroberfläche bilden und so ein extrem geeignetes Material für die Erfindung sein.
Spezifische Beispiele können die nachfolgend dargestellten Moleküle einschließen: [I] Croconmethinfarbstoffe:
Hierbei entspricht R&sub1; der Gruppe, die, wie vorstehend erwähnt, den σ-Elektronenzustand besitzt, und ist eine langkettige Alkylgruppe, die eingeführt wird zur Vereinfachung der Bildung des monomolekularen Films auf der Wasseroberfläche, wobei die Anzahl ihrer Kohlenstoffatome n bevorzugt 5 < n < 30 ist.
Die vorstehend als spezifische Beispiele vorgestellten Verbindungen zeigen nur grundlegende Strukturen, und verschiedene substituierte Derivate dieser Verbindungen können ebenfalls geeignet in der vorliegenden Erfindung als das in Rede stehende Material eingesetzt werden.

[II] Squariliumfarbstoffe:

Die in [I] dargestellten Verbindungen, in denen die Croconmethingruppe durch eine Squariliumgruppe ersetzt ist, haben die folgende Struktur: [III] Farbstoffverbindungen vom Porphyrintyp:
R&sub1;, R&sub2;, R&sub3;, R&sub4; = H,
M = H2, Cu, Ni, Al-Cl, SiCl&sub2;
und Metallionen der seltenen Erden. 2)
R = OCH(COOH)CnH2n-1. 5 ≤ n ≤ 25
M = H&sub2;, Cu, Ni, Zn, Al-Cl, SiCl&sub2;
und Metallionen der seltenen Erden. 3)
R = CnH2n-1 5 ≤ n ≤ 25
M = H&sub2;, Cu, Ni, Zn, Al-Cl, SiCl&sub2;
und Metallionen der seltenen Erden.
R wird eingeführt, um die Herstellung des monomolekularen Films leichter zu machen, und ist nicht auf die hier erwähnten Substituenten beschränkt. R&sub1; bis R&sub4; und R entsprechen der Gruppe, die, wie oben erwähnt, den σ-Elektronenzustand besitzt. [IV] Kondensierte, polycyclische, aromatische Verbindungen:
R = C&sub4;H&sub9; ~ C&sub1;&sub2;H&sub2;&sub5;
σ ≤ n ≤ 20

[V] Diacetylenverbindung:

CH&sub3;-(CH&sub2;)-C C-C C-(CH&sub2;)m-X
mit 0 ≤ n, m ≤ 20,
aber n + m > 10
X ist eine hydrophile Gruppe, und im allgemeinen wird -COOH verwendet, aber es kann auch -OH oder -CONH&sub2; verwendet werden. [VI] Andere: Quinquethienyl
R = C&sub1;&sub8;H&sub3;&sub7;
Außer den vorstehend erwähnten Farbstoffmaterialien, die für das LB-Verfahren geeignet sind, sind weitere Farbstoffmaterialien für die Erfindung geeignet. Zum Beispiel können biologische Materialien (zum Beispiel Bacteriorhodopsin oder Cytochrom C), an denen in letzter Zeit sehr viele Untersuchungen durchgeführt werden, oder synthetische Polypeptide (PBLG und dergleichen) ebenfalls angewendet werden.
Obwohl der elektrische Speichereffekt der Verbindungen, die den π-Elektronenzustand besitzen, für solche Filme beobachtet wurde, die eine Dicke von Zehnteln eines um oder weniger besaßen, ist aber eine Filmdicke von 15 bis 2000 Å bevorzugt unter dem Gesichtspunkt der Filmbildungseigenschaft und Gleichförmigkeit.
An den Träger zur Unterstützung des vorstehend unter den Punkten (1) bis (4) erwähnten Materials, das den elektrischen Speichereffekt besitzt, wird die Anforderung gestellt, daß er die Eigenschaft einer Elektrode besitzt, aber ein Leiter mit einer Leitfähigkeit von 10&supmin;&sup6; (Ω/cm) ist leicht verfügbar. Insbesondere kann eine große Zahl Materialien eingeschlossen werden einschließlich Metallplatten aus Au, Pt, Pd, Ag, Al, In, Sn, Pb, W und dergleichen oder ihren Legierungen, oder Glas, Keramik und Kunststoffmaterialien, die diese Metalle oder Legierungen darauf aufgedampft tragen, oder Si (kristallin und amorph) oder Graphit und außerdem elektrisch leitende Oxide, wie zum Beispiel ITO.
Insbesondere wurde in der vorliegenden Erfindung auf einem Glasträger 181 eine Trägerelektrode 182 aus Gold (Au) gebildet, worauf weiter ein LB-Film aus Squarilium-bis-6-octylazulen (im folgenden abgekürzt als SOAZ) als Aufzeichnungsschicht 183 gebildet wurde. Der LB-Film aus SOAZ wurde, wie im folgenden beschrieben, gebildet.
Nachdem der Glasträger (Träger 181) mit einem neutralen Detergenz und Trichlorethylen gewaschen worden war, wurde zuerst Chrom (Cr) darauf als Unterschicht mit einer Dicke von 50 Å mit Hilfe des Vakuumbedampfungsverfahren abgeschieden, und dann wurde weiter Gold (Au) mit einer Dicke von 400 Å mit dem gleichen Verfahren aufgedampft, wodurch eine Trägerelektrode 182 gebildet wurde.
Als nächstes wurde eine Chloroformlösung, die SOAZ mit einer Konzentration von 0,2 mg/ml gelöst enthielt, bei 20ºC auf eine wäßrige Phase aufgesprüht, und es bildete sich ein monomolekularer Film auf der Wasseroberfläche. Nach Verdampfung des Lösungsmittels wurde der Oberflächendruck des monomolekularen Films auf 20 mN/m vergrößert, und weiter wurde, während dieser Druck konstant gehalten wurde, der genannte Elektrodenträger mit einer Geschwindigkeit von 5 mm/min eingetaucht, um die Wasseroberfläche zu durchbrechen, und weiter wieder herausgezogen, um einen aus zwei monomolekularen Schichten zusammengesetzten Film vom Y-Typ aufzubauen. Durch viermalige Wiederholung dieser Operation wurde ein aus acht Schichten zusammengesetzter Film auf dem Träger 181 gebildet, und so wurde ein LB-Film aus SOAZ hergestellt.
Die Vorrichtung mit MIM-Struktur unter Verwendung des LB-Films als Isolator zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristiken gemäß Fig. 19 und Fig. 20 mit Speicherschalteigenschaft. Insbesondere kann, wie in Fig. 17 und Fig. 18 dargestellt, der Aufzeichnungsstrom durch die Aufzeichnungsschicht 183 geleitet werden, indem der Strom zwischen der Substratelektrode 182 und den Sonden 4a und 4b angelegt wird, wodurch der anfängliche Zustand mit hohem Widerstand (AUS-Zustand) in den Zustand mit niedrigem Widerstand (AN-Zustand) geändert wird. Wie in Fig. 20 dargestellt, fließt im AUS-Zustand im wesentlichen kein Sondenstrom, selbst wenn die Sondenspannung während der Wiedergabe angelegt werden kann, während im AN-Zustand der Sondenstrom fließt, der sich zwischen etwa -1 V und +1 V linear ändert. Diese Tatsache kann dazu verwertet werden, den AN- beziehungsweise AUS-Zustand der Aufzeichnungsschicht 183 nachzuweisen.
Andere Ausführungsformen sind nachfolgend dargestellt.
In Fig. 21 werden zwei Sondenelektroden, die durch 4a und 4a in Fig. 18 dargestellt sind, getrennt für die Positionsbestimmung und für die Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe eingesetzt.
Im folgenden werden die entsprechenden Aufbauten in Fig. 21 unter den Punkten (1) bis (4) erklärt.
(1) Aufbau der Vorrichtung zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe In Fig. 21 bezeichnen die Zahlen 211 und 212 Sondenelektroden, die für Aufzeichnung und Wiedergabe beziehungsweise die Positionsbestimmung verwendet werden sollen, und die Entfernung zwischen diesen beiden Sondenelektroden kann durch den Ultrafeinsteuermechanismus 213 zwischen den Sondenelektroden unter Verwendung einer piezoelektrischen Vorrichtung genau gesteuert werden, wird aber gewöhnlich auf einem konstanten Abstand gehalten. 177 ist ein Sondenstromverstärker und 176 ist ein Servoschaltkreis zur Steuerung der Feinjustagemechanismen 175a und 175b unter Verwendung von piezoelektrischen Vorrichtungen, so daß der Sondenstrom konstant gehalten werden kann. 174 ist eine Impulsenergiequelle zum Anlegen einer Impulsspannung zwischen der Sondenelektrode 211 zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe und der Substratelektrode 182.
Da der Sondenstrom abrupt geändert wird, wenn eine Impulsspannung angelegt wird, steuert der Servoschaltkreis 176 den HALTE-Schaltkreis, so daß er sich im EIN-Zustand befindet, damit die Ausgangsspannung während des Anlegens einer Spannung konstant gehalten wird.
173 ist eine XY-Abtastantriebsschaltung, um ein Paar Sondenelektroden 211 und 212 in der XY-Richtung zu bewegen. 178 und 179 werden zur Grobjustagesteue rung der Entfernung zwischen den Sondenelektroden 211 und 212 und dem Aufzeichnungsmaterial 184 verwendet, so daß ein Sondenstrom von etwa 10&supmin;&sup9; A erhalten werden kann, oder um einen großen relativen Versatz in XY-Richtung zwischen der Sondenelektrode und dem Substrat zu bewirken (außerhalb des Feinjustagesteuermechanismusses).
Diese entsprechenden Instrumente unterliegen alle der zentralen Steuerung mit Hilfe eines Mikrocomputers 172. 171 stellt ein Anzeigeinstrument dar.
Die mechanischen Leistungen in der Bewegungssteuerung unter Verwendung einer piezoelektrischen Vorrichtung sind nachfolgend gezeigt.
Feinjustagesteuerbereich in Z-Richtung: 0,1 nm bis 1 um.
Grobjustagesteuerbereich in Z-Richtung: 10 nm bis 10 mm.
Abtastbereich in XY-Richtung: 0,1 nm bis 1 um.
Grobjustagesteuerbereich in XY-Richtung: 10 nm bis 10 mm.
Toleranz für Messung und Steuerung: < 0,1 nm (bei Feinjustage).
Toleranz für Messung und Steuerung: < 1 nm (bei Grobjustage).

(2) System zur Positionsbestimmung

Wenn der Rundungsradius der Spitze der Sondenelektrode klein wird, um eine Aufzeichnung mit hoher Dichte zu ermöglichen, hängt eine solche Aufzeichnung mit hoher Dichte wesentlich von der Abtastgenauigkeit der Sondenelektrode in der Richtung der Aufzeichnungsebene ab (XY-Richtung) wie auch von der Positionssteuergenauigkeit. Hier werden Aufzeichnung und Wiedergabe an den Positionen des Aufzeichnungsmaterials durchgeführt, die der Ortskoordinate entsprechen, die Standard wird.
Das Positionsbestimmungsverfahren der vorliegenden Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß der Tunnelstrom fließt, wenn die elektrisch leitende Sonde (Sondenelektrode) und eine elektrisch leitende Substanz dazu gebracht werden, sich auf eine Entfernung von etwa 1 nm zu nähern, während dazwischen eine Spannung angelegt ist, ähnlich wie beim Aufzeichnen und Wiedergeben der Information. Da der Tunnelstrom von der Arbeitsfunktion auf der Leiteroberfläche abhängt, können Informationen über verschiedene Oberflächenelektronenzustände gelesen werden. Unter Ausnutzung dieser Tatsache wird eine regelmäßige ato mare Anordnung oder eine solche regelmäßige atomare Anordnung eines Aufzeichnungsmaterials, die einen Ursprungspunkt besitzt, welcher der Standard wird und nach Belieben gestaltet ist, oder ein Ortskoordinatensystem auf Basis des Standardursprungspunktes eingeführt, um durch Feststellen der charakteristischen Änderung des Tunnelstroms entsprechend einem solchen Ortskoordinatensystem eine Positionsbestimmung durchzuführen, und zur gleichen Zeit wird die Aufzeichnungs- oder Wiedergabeposition auf dem Aufzeichnungsmaterial, das eine relative Positionsbeziehung zu einem solchen Ortskoordinatensystem aufweist, auf der Basis solcher Positionsbestimmungsergebnisse festgelegt, womit gleichzeitig die Positionssteuerung der Sondenelektrode an eine solche Aufzeichnungs- und Wiedergabeposition gekoppelt ist.
Fig. 22 zeigt eine schematische Darstellung einer Positionsbeziehung zwischen der Koordinatenachse und der Aufzeichnungsposition. So ist die Positionsinformation (A bis I) als Skala auf der Koordinatenachse immer gegeben durch eine relative Positionsbeziehung (A-A' und dergleichen) zur Aufzeichnungsposition (A' bis I'). Entsprechend können durch Feststellen der Positionsinformationen A bis I die Aufzeichnungspositionen bei A' bis I' zwingend definiert werden. In diesem Fall müssen die entsprechenden Punkte (Skala) auf der Koordinatenachse nicht notwendigerweise ein bestimmte Anordnung relativ zu den Aufzeichnungspositionen annehmen (zum Beispiel kann es eine Vielzahl von Aufzeichnungspositionen geben, die sich auf die Positionsinformation A beziehen, wie zum Beispiel A" und A''' zusätzlich zu A'), aber eine Einzelentsprechung (1 : 1-Entsprechung) wird aus Gründen der Präzision bevorzugt. Auch muß es nicht nur eine Koordinatenachse geben, sondern es kann eine Vielzahl davon verwendet werden, und es ist auch nicht erforderlich, daß sie eindimensional ist, sondern sie kann auch zweidimensional (im Netzwerk) sein. In diesem Fall sind entsprechend den entsprechenden Gitterpunkten im zweidimensionalen Koordinatensystem die Aufzeichnungspositionen ebenfalls zweidimensional angeordnet.

(3) Koordinatenachse

Die Koordinatenachse als Positionsbestimmungssystem, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll, wird gebildet unter Verwendung einer regelmäßigen atomaren Anordnung und/oder dem Standardpunkt, der nach Belieben gestaltet werden kann. Als eine solche regelmäßige atomare Anordnung kann ein elektrisch leitfähiges Material eingesetzt werden, dessen Gitterabstände bekannt sind, nämlich verschiedene Metalle oder Graphiteinkristalle. Zusätzlich kann, da der Tunnelstrom, der in der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, eine Größe im Nanoamperebereich besitzt, das vorstehend genannte, elektrisch leitende Material ein elektrisches Feldverhältnis von 10&supmin;¹&sup0; Ω·cm-1 oder mehr besitzen, und deshalb kann auch ein Einkristall aus einem Halbleiter, wie zum Beispiel Silicium und dergleichen, verwendet werden. Unter diesen wird als typisches Beispiel eine Metallprobe betrachtet. Wird nun eine Spannung V, die kleiner als die Arbeitsfunktion φ ist, zwischen der Sondenelektrode und der genannten Probe angelegt, die eine Entfernung Z voneinander entfernt sind, so ist bekannt, daß die Elektronen durch die Potentialbarriere hindurchtunneln. Die Tunnelstromdichte JT kann bestimmt werden durch Näherung unter der Annahme freier Elektronen, was wie folgt dargestellt wird:
JT = (βV/2πλz) · e(-2Z/λ) ...(1)
worin
λ = h/ 2mφ: Annäherungsentfernung der Wellenfunktion im Vakuum oder in Luft außerhalb des Metalls.
h = r /2π: r = Planckkonstante, m = Masse des Elektrons.
β = e²/ h: e = Elektronenladung.
In der Formel (1) verändert sich, wenn Z einen konstanten Wert annimmt, wie zum Beispiel Z = Zc, die Tunnelstromdichte JT entsprechend der Arbeitsfunktion φ der Standardatomanordnung. Entsprechend wird sich, während die Sondenelektrode eine solche Oberfläche eines Metallmaterials in einer beliebigen, linearen Richtung abtastet, während Z auf Zc gehalten wird, der Tunnelstrom entsprechend der Metallatomanordnung periodisch schwanken. Hier ist, wenn eine Metallprobe mit einer bekannten Gitterkonstante verwendet wird, der Zustand der Atomanordnung in einer beliebigen gewünschten Richtung mit einem bestimmten Gitterpunkt auf einer beliebigen Kristallfläche selbsterklärend, und die periodische Änderung des erhaltenen Tunnelstroms kann ausreichend vorhergesagt werden für den Fall, daß die Sondenelektrode in einer solchen Richtung abtastet. Entsprechend bewegt sich, wenn die Abtastrichtung der Sondenelektrode so korrigiert wird, daß der vorhergesagte Wert einer solchen Tunnelstromänderung und der gemessene Wert der Tunnelstromänderung, der durch tatsächliches Abtasten mit der Sondenelektrode erhalten wird, den gleichen Wert annehmen können, die Sondenelektrode entlang der Atomanordnung der Probe. Wenn also die atomare Anordnung als Koordinatenachse angesehen wird, bewegt sich die Sondenelektrode entlang der Koordinatenachse. Nimmt man nun an, daß die Sondenelektrode auf der Koordinatenachse in eine bestimmte Richtung zu einer Position bewegt werden kann, die eine bestimmte Entfernung davon aufweist, und das Ziel der Bewegung ein Bereich ist, der zur Aufzeichnung und Wiedergabe in der Lage ist, dann wird Aufzeichnung und Wiedergabe möglich an den Positionen, die eine 1 : 1-Entsprechung zu den entsprechenden Punkten auf der Koordinatenachse besitzen. In diesem Fall wird die Sondenelektrode nicht notwendigerweise zwischen der Koordinatenachse und dem Aufzeichnungsbereich bewegt. Zum Beispiel kann auch das Verfahren eingesetzt werden, in dem eine Sondenelektrode zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe an einer bestimmten Position relativ zur Sondenelektrode, die sich auf der Koordinatenachse bewegt (Sondenelektrode zum Feststellen der Position), hergestellt wird und beide Elektroden bewegt werden.
In jedem Fall kann die Position der Sondenelektrode im Aufzeichnungsbereich, nämlich die Aufzeichnungsposition, unter ausschließlichem Bezug auf die Koordinatenachse bestimmt werden, indem das Kristallgitter der Metallprobe ausgenutzt wird.
Wie vorstehend beschrieben, ist es, wenn ein Teil der Oberfläche oder die gesamte Oberfläche des Aufzeichnungsmaterials eine regelmäßige atomare Anordnung besitzt und ihr Anordnungszustand bekannt ist, möglich, einen Aufzeichnungsbereich festzulegen, der ein XY-Koordinatensystem besitzt, das eine relative Beziehung einzig zur korrespondierenden Koordinatenachse aufweist, die das Kristallgitter einer solchen atomaren Anordnung ausnutzt.
Als Koordinatenachse zur Positionsbestimmung ist es ansonsten auch möglich, eine Unebenheit auf der Probenoberfläche herzustellen, Ionen anderer Atome einzulagern und dergleichen, wodurch künstlich eine Vielzahl von Punkten hergestellt wird, die Standard werden, um mit diesen die Ortskoordinate darzustellen. Allerdings ist die durch solche Punkte definierte Koordinatenachse schlechter in der Präzision im Vergleich zu einer Koordinatenachse, welche die vorstehend genannte atomare Anordnung ausnutzt.
Nachdem nun gezeigt wurde, daß Aufzeichnung und Wiedergabe an den entsprechenden, mit der Ortskoordinate in Beziehung stehenden Punkten möglich ist, wobei gleichzeitig die Ortskoordinate auf dem Aufzeichnungsmaterial eingestellt wird, ist es notwendig, den Startpunkt für die praktische Aufzeichnung und die Wiedergabe festzulegen. Das heißt, es ist notwendig, einen Ursprungspunkt bereitzustellen, welcher der Standard auf der Koordinatenachse wird. Der Standardursprungspunkt kann auch eingeführt werden, indem eine Unregelmäßigkeit durch ein Verfahren, wie zum Beispiel Ätzen, auf der Koordinatenachse bereitgestellt wird oder eine Ioneneinlagerung und dergleichen durchgeführt wird, um den Oberflächenzustand des Aufzeichnungsmaterials zu ändern, aber es fehlt, wie bereits erwähnt, diesem Punkt die Präzision, um als Ursprungspunkt der Koordinatenachse unter Verwendung der atomaren Anordnung eingesetzt zu werden. Wenn nun der Punkt A auf der Koordinatenachse als Standardursprungspunkt in Fig. 22 verwendet wird, ist die Unterscheidung des Punktes A und die Unterscheidung des Punktes A' im Aufzeichnungsbereich, der ausschließlich in relativer Positionsbeziehung zum Punkt A steht, das selbe Problem. In anderen Worten, wenn der Punkt A' bestimmt werden kann, wird dadurch auch die Koordinatenachse und die Position der entsprechenden Punkte auf der Koordinatenachse individuell und eindeutig bestimmt. Ein bezüglich der Präzision hervorragendes Verfahren zur Festlegung des Standardursprungs am Punkt A', auch unter dem Gesichtspunkt einfacher Herstellung, ist die Eingabe der Information zur Festlegung des Ursprungspunktes am Punkt A' gemäß dem gleichen Verfahren, das als Schreibverfahren zur Aufzeichnung dient. Ein solcher Standardursprungspunkt muß nicht auf einen einzigen Punkt begrenzt sein, sondern es kann auch, wenn gewünscht, eine Vielzahl solcher Punkte gebildet werden.
Das Aufzeichnungsmaterial der vorliegenden Erfindung besteht aus einer Kombination aus dem elektrischen Speichermaterial, wie vorstehend beschrieben, und seinem unterstützenden Substrat (Elektrode), und wenn eine atomare Anordnung als Koordinatenachse verwendet wird, ist die atomare Anordnung des elektrischen Speichermaterials selbst häufig minderwertig in seiner Regelmäßigkeit und wird nicht bevorzugt als Koordinatenachse eingesetzt. Entsprechend ist es wünschenswert, ein Material als Substrat zu verwenden, das eine regelmäßige atomare Anordnung besitzt, wie zum Beispiel ein Metall, ein kristallines Si, Graphit und dergleichen, und dann durch Entfernen der Beschichtung mit dem elektrischen Speichermaterial von einem Teil des Substrates die Atomanordnung des Substrates auf einem solchen Bereich als Koordinatenachse auszunutzen.

(4) Aufzeichnungsmaterial

Fig. 23 zeigt eine grafische Darstellung des Aufbaus eines Aufzeichnungsmaterials. Eine Si-Wafer vom p-Typ mit einem Durchmesser von 1/2 Inch (B-dotiert, 0,3 mm Dicke), dessen Gitternetzebene (111) freiliegt, wird als Substrat 181 verwendet. Das Substrat ist entlang der B-B'-Linie geschnitten, um die Vorrichtung zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe auf dem XY-Tisch 180 konstant auszurichten. Die B-B'-Linie läuft im wesentlichen parallel zur (211)-Richtung des Si-Kristalls. Als nächstes wird an einer Position, 1 mm von der Mitte der B- B'-Linie in Richtung Zentrum des Substrates zur Herstellung eines Standardursprungspunktes (grob) 231 eine Fläche von 1 um² bis auf eine Tiefe von 0,2 um freigeätzt. Das Verfahren zur Herstellung eines solchen Standardursprungspunktes (grob) wird im folgenden dargestellt.
Als erstes wird auf das Si-Substrat Polymethylmethacrylat (PMMA: Handelsname OEBR-1000, hergestellt von Tokyo Oka Kogyo K. K.), das ein Elektronenstrählresist ist, in einer Dicke von 1 um aufgetragen, und ein Elektronenstrahl wird projiziert, um ein Bild mit einer Größe von 1 um² bei einer Beschleunigungsspannung von 20 keV und einem Strahldurchmesser von 0,1 um zu zeichnen. Dann wird unter Verwendung eines für diesen Zweck geeigneten Entwicklers der mit dem Elektronenstrahl bestrahlte Bereich aufgelöst. Zum Ätzen wird eine Gasmischung aus CF&sub4; und H&sub2; eingesetzt, um 20 min Sputterätzen unter einem Druck von 3 Pa und einer Entladespannung von 100 W durchzuführen. Die Ätztiefe beträgt zu dieser Zeit 0,2 um. Schließlich wird das PMMA unter Verwendung von Methylethylketon aufgelöst.
Auf dem Substrat wird in der Nachbarschaft des Standardursprungspunktes (grob) 231 eine Maske aufgetragen, wonach Chrom als Unterschicht mit Hilfe des Vakuumbedampfungsverfahrens in einer Dicke von 50 Å abgeschieden wird, und weiter Au mit dem gleichen Verfahren in einer Dicke von 400 Å abgeschieden wird, wodurch eine Substratelektrode 182 bereitgestellt wird.
Auf die Au-Elektrode wird ein LB-Film (8 Schichten) aus Squarilium-bis-6- octylazulen (im folgenden als SOAZ abgekürzt) in ähnlicher Weise, wie vorstehend beschrieben, aufgetragen und so eine Aufzeichnungsschicht 101 bereitgestellt. Das heißt, eine Benzollösung, die SOAZ in einer Konzentration von 0,2 mg/ml gelöst enthält, wird zuerst bei 20ºC auf eine wäßrige Phase gesprüht, um einen monomolekularen Film auf der Wasseroberfläche zu bilden. Nach Ver dampfung des Lösungsmittels zur Vergrößerung des Oberflächendrucks auf 20 mN/m und weiter unter Konstanthalten dieses Druckes wird das vorstehend genannte Substrat sanft mit einer Geschwindigkeit von 3 mm/min in einer Richtung senkrecht zur Wasseroberfläche wiederholt eingetaucht und wieder herausgezogen, wobei ein 8-lagiger, aus monomolekularen SOAZ-Schichten zusammengesetzter Film auf der Substratelektrode 104 gebildet wird.
Es wurden die entsprechenden Teile aufgebaut, wie vorstehend dargestellt, und es wurde das Experiment durchgeführt unter Verwendung der Vorrichtung zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe, wie in Fig. 21 beschrieben.
Das Aufzeichnungsmaterial 184 mit der aus 8 SOAZ-Lagen aufgebauten Aufzeichnungsschicht 183 wurde auf den XY-Tisch 180 gelegt, wobei der Schnitt B-B' des Substrates auf eine vorbestimmte Richtung eingerichtet wurde. Als nächstes wurde die Sondenelektrode 212 zur Positionsbestimmung an die Position etwa 1 mm von der B-B'-Linie entfernt in Richtung Substratmitte bewegt und, nach Anlegen einer Sondenspannung von 0,6 V zwischen der Sondenelektrode zur Positionsbestimmung und dem Si-Substrat 181, die X-Richtung der Feinjustagemechanismen 173 und 175a für die XY-Richtung versuchsweise in der Richtung, die im wesentlichen parallel zu B-B' liegt, angepaßt und dabei ein Abtasten über eine Länge von 1 um durchgeführt. Als nächstes wurde das Abtasten auch in die Y- Richtung (die Richtung senkrecht zur Y-Richtung) über 1 um durchgeführt. Die Messung des Oberflächenzustandes wurde wiederholt, wobei diesmal die Art, die XY-Koordinatenachsen auszuwählen, variiert wurde, und die erhaltenen Anordnungsabstände der Si-Atome wurden so gesteuert, daß sie Werte annahmen, die am nächsten bei 6,65 Å beziehungsweise 3,84 Å lagen. Durch solche Steuerung fällt die X-Achse des XY-Feinjustagemechanismusses mit der ( 11)-Richtung des Si-Substrates und die Y-Achse mit der (01 )-Richtung des Si-Substrates zusammen. Gleichzeitig wurde die XY-Richtung des Grobjustagemechanismusses so gesteuert, daß sie mit der XY-Richtung des Feinjustagemechanismusses zusammenfiel, wobei sie mit einer Genauigkeit eingerichtet wurde, die im Bereich des Steuerfehlers des Grobjustagemechanismusses liegt. Als nächstes wurde unter Verwendung des Grobjustagemechanismusses bezüglich der XY-Richtung die Position des Standardursprungspunktes (grob) 231 durch Abtasten mit der Sondenelektrode für die Positionsfeststellung unter Verwendung des Grobjustagemechanismusses festgestellt. Bei der Position, 2 mm in Richtung Zentrum des Substrates entlang der Y-Richtung von der Mitte eines solchen Standardursprungspunktes (grob) 231 aus, wurde der Gitterpunkt des Si festgestellt. Mit solchen Gitterpunkten (der Punkt C in Fig. 24) mit dem Ursprungspunkt 241 der Ortskoordinatenachse wurde mit der Sondenelektrode 212 zur Positionsbestimmung in der X-Richtung [( 11)-Richtung] abgetastet. Während dieser Operation wurde durch Bestätigung jedes Gitterpunktes 244 bezüglich der ( 11)-Richtung des Si's die Richtungssteuerkorrektur und Bestätigung der Ortskoordinate (Gitterabstand) durchgeführt. Bei einer solchen Operation, die im Zusammenhang mit der Sondenelektrode 212 zur Positionsbestimmung steht, wurde auch die Sondenelektrode 211 zur Aufnahme beziehungsweise Wiedergabe auf der Aufzeichnung 183 bewegt. In dieser Ausführungsform betrug die Entfernung zwischen den beiden Sondenelektroden 3 mm in der Richtung der Y-Achse. Aufzeichnung einer gewünschten Information wurde durchgeführt durch Verwendung einer solchen Sonde 211 für die Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe, aber vor einer praktisch durchgeführten Aufzeichnung wurde der Standardursprungspunkt (fein) 242 an der Aufzeichnungsposition (der Punkt C' in Fig. 24) bereitgestellt, der mit dem Ortskoordinatenursprungspunkt 241 in Beziehung steht. Ein solcher Standardursprungspunkt (fein) wurde unter Einsatz des elektrischen Speichereffektes der Aufzeichnungsschicht 183 gebildet. Insbesondere wurde zwischen der Sondenelektrode 211 zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe und der Au-Elektrode 182 eine Sondenspannung von 1,0 Volt angelegt und die Entfernung (Z) zwischen der Sondenelektrode zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe 211 und der Aufzeichnungsschicht 183 unter Verwendung des Feinjustagemechanismusses 175b so gesteuert, daß der Sondenstrom Ip 10&supmin;&sup9; A betragen konnte. Mit der Sondenelektrode 211 zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe auf der (+)-Seite und der Au-Elektrode 182 auf der (-)-Seite wurde eine rechteckige Pulsspannung (18 Volt, 0,1 us), die größer war als die Schwellenspannung (Vth) für den EIN-Zustand, bei dem das elektrische Speichermaterial (SOAZ, 8 Schichten aus LB-Filmen) in den Zustand mit niedrigem Widerstand (EIN-Zustand) umgeschaltet wird, angelegt, um dafür zu sorgen, daß ein EIN-Zustand auftrat. Das Verfahren zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe war das vorstehend beschriebene. Wenn der Sondenstrom Ip durch Anlegen einer Sondenspannung von 1,0 V zwischen der Sondenelektrode 211 zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe und der Au-Elektrode 182 gemessen wurde, während die Entfernung (Z) zwischen der Sondenelektrode zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe und der Aufzeichnungsschicht 183 konstant gehalten wurde, wurde gefunden, daß ein Strom von etwa 0,5 mA floß, wodurch bestätigt wurde, daß der EIN-Zustand existierte. Durch die vorstehend beschriebenen Operationen wurde der Standardursprungspunkt (fein) 242 festgelegt. Während dieser Operation wurde dadurch, daß der Aufzeichnungsbereich von 10 nm² in den EIN-Zustand geschaltet wurde, verhindert, daß die den Ursprungspunkt darstellende Positionsinformation betreffend den Standardpunkt (fein) 242 bei der Wiedergabe mit der Aufzeichnungsinformation, die später geschrieben wurde, verwechselt wurde (Fig. 24), aber die Gestalt des Standardursprungspunktes (fein) 242 ist in keiner Weise auf die Gestalt dieser Ausführungsform begrenzt.
Als nächstes wurde durch Abtasten mit der Sondenelektrode 212 zur Bestimmung der Position in der ( 11)-Richtung unter Bestätigung des Gitterpunktes die Aufzeichnung unter Verwendung der Sonde 211 für die Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe durchgeführt, wobei sich die Sonde, da sie gekoppelt geführt wird, gleichzeitig über 15 Abstände (9,98 nm) bewegt. Entsprechend betrug der Abstand des Aufzeichnungspunktes 243 ebenfalls 9,98 nm (Fig. 24). Eine solche Aufzeichnung wurde durchgeführt durch Einstellen des EIN-Zustandes und des AUS-Zustandes (des Zustandes mit hohem Widerstand vor der Aufzeichnung) in der Aufzeichnungsschicht 183 (SOAZ, 8 Schichten aus LB-Filmen) mit Hilfe des gleichen Verfahrens wie bei der Bildung des Standardursprungspunktes (fein) 242.
Nachdem das beschriebene Aufzeichnungsmaterial, das über die vorstehend beschriebenen Schritte gebildet worden war, einmal aus der Vorrichtung zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe entfernt worden war, wurde es wieder auf dem XY-Tisch 180 eingerichtet, um das Wiedergabeexperiment durchzuführen. Zuerst wurde ähnlich, wie während der Aufnahme, nach Ausrichtung der XY-Richtung des Positionssteuersystems unter Verwendung des Si-Gitters auf die ( 11)- beziehungsweise (01 )-Richtungen die Sondenelektrode 212 zur Positionsbestimmung zum Abtasten in Bezug auf die XY-Richtung zum Auffinden der Position des Standardursprungspunktes (grob) 231 verwendet. Auf der Grundlage eines solchen Standardursprungspunktes (grob) 231 wurde die Sondenelektrode 211 zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe zum Abtasten unter Verwendung des Fein- und des Grobjustagemechanismusses zum Bestimmen der Position des Standardursprungspunktes (fein) 242 eingesetzt. Gleichzeitig wurde bestätigt, daß die Sondenelektrode 212 zur Positionsbestimmung sich auf dem Si- Gitterpunkt befand (Ortskoordinatenursprungspunkt 241). In diesem Fall wurde bei einer Abweichung unter Verwendung eines Feinjustagemechanismusses das XY-Koordinatensystem korrigiert, das die Sondenelektrode zur Positionsbestimmung 212 steuert, so daß es mit dem Gitterpunkt zusammenfiel. Als nächstes wurde unter Anlegen einer Sondenspannung von 0,6 V zwischen der Sondenelek trode zur Positionsbestimmung 212 und der Au-Elektrode 182 eine Abtastung in der ( 11)-Richtung (X-Achsenrichtung) durchgeführt, während die Position des Si-Gitterpunktes bestimmt wurde. Während dieser Operation wurde gleichzeitig unter Anlegen einer Sondenspannung von 1,0 V zwischen der gleichzeitig angesprochenen Sondenelektrode 211 zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe und der Au-Elektrode 182 die Wiedergabe der Information durchgeführt, entweder durch direktes Lesen der Änderung des Sondenstromwertes, basierend auf dem EIN-Zustand oder AUS-Zustand an jedem Aufzeichnungspunkt, oder durch Lesen der Änderung der Entfernung Z zwischen der genannten Sondenelektrode 182 zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe und der Oberfläche der Aufzeichnungsschicht 183 durch die Servoschaltung 176, wenn mit der Sondenelektrode 182 zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe abgetastet wurde, so daß der Sondenstrom Ip konstant werden konnte.
Die Wiedergabezeit konnte zu dieser Zeit um etwa eine Größenordnung beschleunigt werden im Vergleich zu dem Fall, wenn eine Wolframsonde und dergleichen des Standes der Technik verwendet wurde.
Es wurde auch bestätigt, daß, wenn die Sondenspannung auf 10 V gesetzt wurde, die höher ist als die Schwellenspannung Vth, bei der das elektrische Speichermaterial vom EIN-Zustand in den AUS-Zustand wechselt, und wieder die Aufzeichnungsposition abgesucht wurde, alle aufgezeichneten Zustände infolgedessen gelöscht wurden, wobei sie in den AUS-Zustand verbracht wurden.
Im folgenden ist ein andere Ausführungsform dargestellt. Die Sondenelektrode 4 in Fig. 17 wurde nach dem selektiven Abscheidungsverfahren hergestellt (siehe Fig. 13A bis 13D). Als Ergebnis wurde ein Siliciumeinkristall 4 mit Zentrum in der Öffnung 133 gebildet, der eine Korngröße von etwa 15 um besaß und einen hervorstehenden Bereich, der von den Kristallflächen umgeben war, wie in Fig. 13D gezeigt.
Unter Verwendung der Sondenelektrode wurden Aufzeichnung und Wiedergabe wie in der vorstehenden Ausführungsform durchgeführt (siehe Vorrichtung zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe, die in Fig. 17 dargestellt ist).
Die Sondenelektrode 4 ist bereitgestellt zur Steuerung der Entfernung (Z) von der Oberfläche des Aufzeichnungsmaterials 184, und ihre Entfernung (Z) ist der Feinjustagesteuerung durch eine piezoelektrische Vorrichtung unterworfen, so daß der Strom konstant gehalten werden kann. Weiter ist der Feinjustagemechanismus so gestaltet, daß eine Feinjustagesteuerung auch in der Richtung innerhalb der Ebene möglich ist (X, Y), während die Distanz (Z) konstant gehalten wird.
Die Sondenelektrode 4 wird verwendet zur Durchführung der Feststellung der relativen Richtungsposition innerhalb der Aufzeichnungsmaterialebene und zum Aufzeichnen beziehungsweise Wiedergeben beziehungsweise Löschen. Das Aufzeichnungsmaterial 184 ist auf einen XY-Tisch 180 mit hoher Präzision aufgelegt und kann an jede gewünschte Position bewegt werden (XY-Grobjustagemechanismus). Die XY-Richtungen des Grobjustagemechanismusses und die XY-Richtungen des Feinjustagemechanismusses fallen im Rahmen eines Fehlers zusammen, der durch den Unterschied in der Präzision der entsprechenden Justagemechanismen verursacht wird.
Als nächstes wird eine grafische Darstellung des Aufbaus des Aufzeichnungsmaterials, das in dieser Ausführungsform verwendet wird, in Fig. 25 gezeigt. Fig. 25A ist eine Draufsicht des Aufzeichnungsmaterials, das in dieser Erfindung verwendet wird, und Fig. 25B ist ein Schnittansicht entlang der Linie A-A' in Fig. 25A. Ein Si-Wafer vom p-Typ mit freigelegter (111)-Gitternetzebene und 1/2 Inch Durchmesser (B-dotiert, Dicke 0,3 mm) wird als Substrat 181 verwendet. Das Substrat ist an der Linie B-B' geschnitten, um die Vorrichtung zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe auf dem XY-Tisch 180 konstant auszurichten. Die B-B'-Linie liegt im wesentlichen parallel zur ( 11)-Richtung des Si-Kristalls.
Als nächstes wird an der Position, 1 mm von der Mitte der B-B'-Linie in Richtung Zentrum des Substrates, zur Herstellung des Standardursprungspunktes 252 (grob) eine Fläche von 1 um² und 0,2 um Tiefe freigeätzt. Das Verfahren zur Herstellung eines solchen Standardursprungspunktes (grob) ist im nachfolgenden dargestellt.
Als erstes wird auf das Si-Substrat Polymethylmethacrylat (PMMA: Handelsname OEBR-1000, hergestellt von Tokyo Oka Kogyo K. K.), das ein Elektronenstrahlresist ist, in einer Dicke von 1 um aufgetragen, und ein Elektronenstrahl wird projiziert, um ein Bild mit einer Größe von 1 um² bei einer Beschleunigungsspannung von 20 keV und einem Strahldurchmesser von 0,1 um zu zeichnen. Dann wird unter Verwendung eines für diesen Zweck geeigneten Entwicklers der mit dem Elektronenstrahl bestrahlte Bereich aufgelöst. Zum Ätzen wird eine Gasmischung aus CF&sub4; und H&sub2; eingesetzt, um 20 min Sputterätzen unter einem Druck von 3 Pa und einer Entladespannung von 100 W durchzuführen. Die Ätztiefe beträgt zu dieser Zeit 0,2 um. Schließlich wird das PMMA unter Verwendung von Methylethylketon aufgelöst.
Auf dem Substrat wird in der Nachbarschaft des Standardursprungspunktes (grob) 231 eine Maske aufgetragen, wonach Chrom als Unterschicht mit Hilfe des Vakuumbedampfungsverfahrens in einer Dicke von 50 Å abgelagert wird, und weiter wird Au mit dem gleichen Verfahren in einer Dicke von 400 Å abgelagert und dadurch eine Substratelektrode 182 bereitgestellt.
Auf die Au-Elektrode wird ein LB-Film (4 Schichten) aus Squarilium-bis-6-octylazulen (im folgenden als SOAZ abgekürzt) aufgetragen und so eine Aufzeichnungsschicht 183 bereitgestellt. Im folgenden ist das Verfahren zur Bildung der Aufzeichnungsschicht zu beschreiben. Zuerst wird eine Benzollösung, die SOAZ in einer Konzentration von 0,2 mg/ml gelöst enthält, bei 20ºC auf eine wäßrige Phase gesprüht zur Bildung eines monomolekularen Films auf der Wasseroberfläche. Nach Verdampfung des Lösungsmittels zur Vergrößerung des Oberflächendruckes auf 20 mN/m und weiter unter Konstanthalten dieses Druckes wird das vorstehend genannte Substrat sanft mit einer Geschwindigkeit von 3 mm/min in einer Richtung senkrecht zur Wasseroberfläche wiederholt eingetaucht und wieder herausgezogen, wobei ein 4-lagiger, aus monomolekularen SOAZ-Schichten zusammengesetzter Film auf der Substratelektrode 182 gebildet wird.
Das Aufzeichnungswiedergabeexperiment wurde durchgeführt unter Verwendung des so hergestellten Aufzeichnungsmaterials 184.
Das Aufzeichnungsmaterial 184 mit der aus 4 SOAZ-Lagen aufgebauten Aufzeichnungsschicht 183 wurde auf den XY-Tisch 180 gelegt, wobei der Schnitt B-B' des Substrates auf eine vorbestimmte Richtung eingerichtet wurde.
Als nächstes wurde die Sondenelektrode 4 an die Position etwa 1 mm von der B-B'-Linie entfernt in Richtung Substratmitte bewegt und, nach Anlegen einer Sondenspannung von 0,6 V zwischen der Sondenelektrode und dem Si-Substrat 181, die X-Richtung der Feinjustagemechanismen 173 und 175a der Sonde versuchsweise in der Richtung, die im wesentlichen parallel zu B-B' liegt, angepaßt und dabei ein Abtasten über eine Länge von 1 um durchgeführt.
Als nächstes wurde das Abtasten auch in der Y-Richtung (der Richtung senkrecht zur X-Richtung) über 1 um durchgeführt. Die Messung des Oberflächenzustandes wurde wiederholt, wobei diesmal die Art, die XY-Koordinatenachsen auszuwählen, variiert wurde, und die erhaltenen Anordnungsabstände der Si- Atome wurden so gesteuert, daß sie Werte annahmen, die am nächsten bei 6,65 A beziehungsweise 3,84 Å lagen. Durch eine solche Steuerung fällt die X-Achse des XY-Feiniustagemechanismusses mit der ( 11)-Richtung des Si-Substrates zusammen und die Y-Achse mit der (01 )-Richtung.
Gleichzeitig wurde die XY-Richtung des Grobjustagemechanismusses so gesteuert, daß sie mit der XY-Richtung des Feinjustagemechanismusses zusammenfiel, wobei sie mit einer Genauigkeit eingerichtet wurde, die im Bereich des Steuerfehlers des Grobjustagemechanismusses liegt. Als nächstes wurde unter Verwendung des Grobjustagemechanismusses bezüglich der XY-Richtung die Position des Standardursprungspunktes (grob) 252 durch Abtasten mit der Sondenelektrode unter Verwendung des Grobjustagemechanismusses festgestellt. Bei der Position, 2 mm in Richtung Zentrum des Substrates entlang der Y-Richtung von der Mitte eines solchen Standardursprungspunktes (grob) aus, wurde der Standardursprungspunkt (fein) 251 bereitgestellt. Ein solcher Standardursprungspunkt (fein) wurde gebildet unter Einsatz des elektrischen Speichereffektes der Aufzeichnungsschicht 183. Insbesondere wurde zwischen der Sondenelektrode 4 und der Au-Elektrode 182 eine Spannung von 1,0 Volt angelegt und die Entfernung (Z) zwischen der Sondenelektrode 4 und der Aufzeichnungsschicht 183 unter Verwendung des Feinjustagemechanismusses 175 so gesteuert, daß der Sondenstrom Ip 10&supmin;&sup9; A betragen kann. Als nächstes wurde mit der Sondenelektrode 4 auf der (+)-Seite und der Au-Elektrode auf der (-)-Seite eine rechteckige Impulsspannung (18 Volt, 0,1 us), die größer war als die Schwellenspannung (Vth) für den EIN-Zustand, bei dem das elektrische Speichermaterial (SOAZ, 4 Schichten aus LB-Filmen) in den Zustand mit niedrigem Widerstand (EIN-Zustand) umgeschaltet wurde, angelegt, um dafür zu sorgen, daß ein EIN-Zustand auftrat. Als der Sondenstrom Ip durch Anlegen einer Sondenspannung von 1,0 V zwischen der Sondenelektrode 4 und der Au-Elektrode 182 gemessen wurde, während die Entfernung (Z) zwischen der Sondenelektrode 4 und der Aufzeichnungsschicht 183 konstant gehalten wurde, wurde gefunden, daß ein Strom von etwa 0,5 mA floß, wodurch bestätigt wurde, daß der EIN-Zustand existierte. Durch die vorstehend beschriebenen Operationen wurde der Standardursprungspunkt (fein) 251 festgelegt. Während dieser Operation wurde dadurch, daß der Aufzeichnungsbereich von 10 nm² in den EIN-Zustand geschaltet wurde, verhindert, daß die den Ursprungspunkt darstellende Positionsinformation betreffend den Standardpunkt (fein) 251 bei der Wiedergabe mit der Aufzeichnungsinformation, die später geschrieben wurde, verwechselt wurde (Fig. 26), aber die Gestalt des Standardursprungspunktes (fein) 251 ist in keiner Weise auf die Gestalt dieser Ausführungsform begrenzt.
Mit einem solchen Standardursprungspunkt (fein) als Ursprungspunkt auf der XY-Koordinate des Positionssteuersystems der Sondenelektrode wurde mit der Sondenelektrode 4 fein abgetastet, wodurch eine Aufzeichnung von Informationen im Abstand von 0,01 um erreicht wurde. Fig. 26 zeigt schematisch die Aufzeichnungsposition pro Punkt (pit) auf der Aufzeichnungsoberfläche 183. Diese Aufzeichnung wurde nach dem gleichen Verfahren bewirkt wie die Bildung des Standardursprungspunktes (fein) durch Erzeugen von EIN-Zuständen und AUS- Zuständen (Zustand mit hohem Widerstand vor der Aufzeichnung) auf dem elektrischen Speichermaterial (SOAZ, 4 Ebenen aus LB-Film). (Aufzeichnungsposition - einschließlich Wiedergabeposition - entspricht 261 in Fig. 26.)
Das beschriebene Aufzeichnungsmaterial 1, das über die vorstehend beschriebenen Schritte gebildet worden war, wurde einmal aus der Vorrichtung zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe entfernt und wieder auf dem XY-Tisch 180 eingerichtet, um das Wiedergabeexperiment durchzuführen. Zuerst wurde ähnlich wie während der Aufnahme nach Ausrichtung der XY-Richtung des Positionssteuersystems unter Verwendung der Si-Atomskala auf die ( 11)- beziehungsweise (01 )-Richtungen die Sondenelektrode zum Abtasten in Bezug auf die X- und Y-Richtung unter Verwendung eines Grobjustagemechanismusses zum Auffinden der Position des Standardursprungspunktes (grob) 252 eingesetzt. Basierend auf einem solchen Standardursprungspunkt (grob) 252 wurde unter Verwendung des Fein- und des Grobjustagemechanismusses der Standardursprungspunkt (fein) 251 aufgesucht. Mit einem solchen Standardursprungspunkt (fein) als Ursprungspunkt des XY-Koordinatensystems wurde die Information wiedergegeben. Während dieser Operation wurde unter Anlegen einer Sondenspannung von 1,0 V zur Wiedergabe zwischen der Sondenelektrode 4 und der Au- Elektrode 182 die Ortsbestimmung des Standardursprungspunktes (fein) 251 und die Wiedergabe der aufgezeichneten Information durchgeführt, entweder durch direktes Lesen des Sondenstromwertes, der durch die Bereiche mit EIN- Zustand oder AUS-Zustand fließt, oder durch Lesen der Änderung der Entfernung Z zwischen der Sondenelektrode 4 und der Oberfläche der Aufzeichnungs schicht 183 durch die Servoschaltung 176, wenn mit der Sondenelektrode 4 abgetastet wurde, so daß der Sondenstrom Ip konstant werden konnte.
Es wurde auch bestätigt, daß, wenn die Sondenspannung auf 10 V gesetzt wurde, die höher ist als die Schwellenspannung (Vth) für den AUS-Zustand, bei der das elektrische Speichermaterial vom EIN-Zustand in den AUS-Zustand wechselt, und wieder die Aufzeichnungsposition abgesucht wurde, infolgedessen alle aufgezeichneten Zustände gelöscht wurden, wobei sie in den AUS-Zustand verbracht wurden.
Im folgenden wird noch eine weitere Ausführungsform beschrieben.
Es wird nachstehend ein Beispiel gezeigt, in dem Aufzeichnung und Wiedergabe durchgeführt wurden, indem das XY-Koordinatensystem des Sondenelektrodenabtastsystems festgelegt wurde unter Verwendung des Standardspeichers mit einer Vielzahl von Standardursprungspunkten.
Fig. 27 zeigt eine grafische Darstellung des Aufbaus eines Aufzeichnungsmaterials 184, das in dieser Ausführungsform verwendet wird. Als Substrat 181 wird ein Glassubstrat (1 mm Dicke) mit Abmessungen von 0,7 · 1,5 cm verwendet, das dem optischen Polieren unterworfen wurde. Als nächstes wurde ein Standardursprungspunkt (grob) 271 mit 1 um² Fläche und 0,1 um Tiefe hergestellt an der Position 1 mm von der Mitte der Linie B-B' aus nach innen auf das Zentrum des Substrates zu.
Das Verfahren zur Herstellung eines solchen Standardursprungspunktes (grob) ist nachfolgend dargestellt.
Gemäß dem Fotoresistverfahren nach dem Stand der Technik wurde ein Resistmaterial (Handelsname: AZ 1350) in einer Dicke von 1 um aufgetragen, und nach Vortempern wurde UV-Bestrahlung unter Verwendung einer Maske, Entwicklung und Nachheizen zur Bildung eines Maskenmusters auf dem Glassubstrat durchgeführt. Als nächstes wurde die Glasoberfläche basierend auf dem bekannten CF&sub4;-Gasplasmaätzverfahren dem Trockenätzen bis zu einer Tiefe von 0,1 um unterzogen unter den Bedingungen einer Ätzleistung von 50 Watt, eines Gasdruckes von 1 Pa und einer CF&sub4;-Gasflußgeschwindigkeit von 15 sccm. Das AZ1360 der Maske wurde durch Waschen mit Aceton entfernt.
Das so behandelte Substrat wurde in einem gesättigten Dampf aus Hexamethyldisilazan stehengelassen, um die Oberfläche mit einer hydrophoben Behandlung zu versehen. Auf einem solchen Substrat wurde Chrom als Unterschicht in einer Dicke von 50 Å mit dem Vakuumbedampfungsverfahren abgeschieden und weiter Au in einer Dicke von 400 Å mit Hilfe des gleichen Verfahrens aufgedampft, um eine Substratelektrode 182 bereitzustellen. Als nächstes wurde auf die Au-Elektrode ein 10-schichtiger LB-Film aus dem t-Butylderivat des Luthetiumdiphthalocyanins (LuH(Pc)&sub2;) zur Bildung einer Aufzeichnungsschicht 183 aufgetragen. Während dieser Operation wurde dafür Sorge getragen, daß keine Aufzeichnungsschicht 183 in der Nähe des Standardursprungspunktes (grob) 271 aufgetragen wurde.
Im folgenden sind die Filmbildungsbedingungen des LB-Films aus dem t-Butylderivat des LuH(Pc)&sub2; aufgeführt.
Lösungsmittel: Chloroform/Trimethylbenzol/Aceton = 1/1/2 (Volumenverhältnis).
Konzentration: 0,5 mg/ml.
wäßrige Phase: reines Wasser, Wassertemperatur 20ºC.
Oberflächendruck: 20 mN/m.
Substrathebe- beziehungsweise -senkgeschwindigkeit: 3 mm/min.
Unter Verwendung des Aufzeichnungsmaterials 184, das wie vorstehend beschrieben hergestellt wurde, wurden Aufzeichnungs- und Wiedergabeprüfungen durchgeführt, die im folgenden im Detail beschrieben werden.
Das Aufzeichnungsmaterial 184, auf das eine Aufzeichnungsschicht 183 aus einem aus 10 Schichten LuH(Pc)&sub2;-t-butylderivat zusammengesetzten LB-Film aufgetragen wurde, wurde auf einen XY-Tisch 180 gelegt, wobei es mit der B-B'- Richtung auf die X-Achsenrichtung des Tisches justiert wurde. Als nächstes wurde durch Abtasten mit der Sondenelektrode 4 unter Verwendung des Grobjustagemechanismusses 179 bezüglich der XY-Richtungen die Position des Standardursprungspunktes (grob) 271 festgestellt. Die Sondenspannung wurde auf 0,1 V eingestellt. An der Position (auf der Aufzeichnungsschicht 183), 2 mm in Y-Achsenrichtung von diesem Standardursprungspunkt (grob) 271 aus auf das Zentrum des Substrates zu, wurde unter Verwendung des gleichen Verfahrens, wie vorstehend beschrieben, ein erster Standardursprungspunkt (fein) 272 gebildet. In diesem Fall fielen die XY-Richtungen des Grobjustagemechanismusses und die XY-Richtungen des Feinjustagemechanismusses im Rahmen des Steuerfehlerbe reichs des Grobjustagemechanismusses zusammen. Als nächstes wurde unter Verwendung des Feinjustagemechanismusses ein zweiter Standardursprungspunkt (fein) 273 an einer Position 1 um in Y-Achsenrichtung vom ersten Standardursprungspunkt (fein) 272 entfernt hergestellt. Das Verfahren zur Herstellung eines solchen zweiten Standardursprungspunktes (fein) 273 ist das gleiche wie für die Herstellung des ersten Standardursprungspunktes (fein), und die Gestalten der entsprechenden Punkte können zur Unterscheidung zwischen den beiden auch verschieden gemacht werden, was aber nicht notwendigerweise erforderlich ist, sondern es kann zu einer List gegriffen werden, so daß diese Punkte im allgemeinen nicht mit den Aufzeichnungsinformationen verwechselt werden. Als nächstes wurden, indem entweder dieser erste Standardursprungspunkt (fein) 272 oder dieser zweite Standardursprungspunkt 273 als Ursprungspunkt des XY-Achsenkoordinatensystems verwendet wurde, Informationen mit einem Teilungsabstand von 0,01 um aufgezeichnet.
Nachdem das beschriebene Aufzeichnungsmaterial 184 durch die vorstehenden Schritte gebildet worden war, wurde es einmal aus der Vorrichtung zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe herausgenommen und zur Durchführung der Wiedergabeprüfung wieder auf den XY-Tisch 180 gesetzt. Als erstes wurde durch Abtasten mit der Sondenelektrode bezüglich der XY-Richtungen mit Hilfe eines Grobjustagemechanismusses ähnlich wie bei der Aufzeichnung der Standardursprungspunkt (grob) 271 gefunden, und auf Basis dieses Standardursprungspunktes (grob) wurde unter Verwendung des Grob- und des Feinjustagemechanismusses der erste Standardursprungspunkt (fein) 272 aufgesucht. Als nächstes wurde unter Verwendung des Feinjustagemechanismusses der zweite Standardursprungspunkt (fein) 273 bestimmt, wonach das XY-Koordinatensystem so zurück gesetzt wurde, daß die Richtung der Linie, die den ersten und den zweiten Standardursprungspunkt (fein) miteinander verbindet, mit der Y- Achsenrichtung des Sondenelektrodenabtastsystems zusammenfallen konnte. In diesem Fall wurde der erste Standardursprungspunkt (fein) 272 oder der zweite Standardursprungspunkt (fein) 273 so eingestellt, daß er Ursprungspunkt des XY-Koordinatensystems zum Ausführen der Wiedergabe der aufgezeichneten Information werden konnte.
Eine elektronische Vorrichtung soll im folgenden beschrieben werden, die die Einkristallsonde, die in der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, für einen Enkoder einsetzt zur Durchführung von Messungen, wie zum Beispiel zur Ortsbestimmung, Messungen von Abmessungen und dergleichen.
Fig. 28 zeigt den Aufbau des Enkoders gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform. Fig. 29 und Fig. 30 zeigen die Signale, die in den entsprechenden Aufbauteilen dieser Ausführungsform erhalten werden.
In Fig. 28 sind das Untersuchungsobjekt 281 und das Untersuchungsobjekt 282 so eingerichtet, daß sie sich nur relativ zueinander in Seitenrichtung (Links- und Rechtsrichtung innerhalb der Papierebene) bewegen können. Das Untersuchungsobjekt 282 ist mit einer elektrisch leitenden Standardskala 283 versehen und das Untersuchungsobjekt 281 mit einer elektrisch leitenden Sonde 284. Zwischen der Sonde 284 und der Standardskala 283 ist eine Vorspannung von einer Vorspannungsenergiequelle 285 angelegt. Das Spitzenende der Sonde 284 und die Standardskala 283 werden einander so weit genähert, daß ein Tunnelstrom dazwischen fließt. Hier wird der Tunnelstrom durch die Stromspannungswandlerschaltung 309 in eine Spannung umgewandelt, die danach durch die Verstärkerschaltung 310 verstärkt und einer logarithmischen Umsetzung durch die logarithmische Umsetzerschaltung 291 unterzogen wird, um das Ausgangssignal proportional zur Entfernung zwischen Sonde und Skala zu machen.
Die Sonde 284 vibriert mit einer Vibrationsfrequenz f und einer Amplitude d in der relativen Bewegungsrichtung des Untersuchungsobjektes 281 und des Untersuchungsobjektes 282 mit Hilfe der Sondenvibratoreinrichtung 286. Die Vibrationsgeschwindigkeit ist zu diesem Zeitpunkt ausreichend größer als die relative Bewegungsgeschwindigkeit des Untersuchungsobjektes 281 und des Untersuchungsobjektes 282. Das Sondenvibrationssignal wandelt die rechteckige Welle 2a mit einer Vibrationsfrequenz nf, die aus dem Oszillator 307 ausgegeben wird, in der Frequenzteilerschaltung 304 in ein geteiltes Signal 2b um, dann in der Wellenformwandlerschaltung 303 in eine dreieckige Welle (Signal 2c) mit einer Vibrationsfrequenz f und wird, nach Verstärkung durch den Verstärker 302, an die Sondenvibratoreinrichtung 286 gelegt. Hier kann anstelle der Vibration der Sonde auch die Standardskala in Vibration versetzt werden, indem eine Standardskalenvibratoreinrichtung am Untersuchungsobjekt bereitgestellt wird 282.
Wenn nun weiter das Untersuchungsobjekt 281 und das Untersuchungsobjekt 282 in Seitenrichtung relativ zueinander bewegt werden, wird das Ausgabesignal von der logarithmischen Wandlerschaltung 291 festgestellt, so daß der mittlere Abstand zwischen Sonde und Standardskala konstant werden kann (so daß der Durchschnittswert des festgestellten Tunnelstroms konstant werden kann), und wenn der erkannte Tunnelstromwert vom festgelegten Wert abweicht, wird unter Verwendung eines Schaltkreises 290 zur Festlegung eines mittleren Tunnelstromwertes, der ein Signal ausgibt, um seinen Unterschied zu korrigieren, und weiter unter Verwendung eines Tiefpaßfilters 289 und der Verstärkerschaltung 288 eine Rückkopplungsgruppe gebildet zur Steuerung des Abstandes zwischen der Sonde und der Standardskala mit Hilfe der Longitudinalpositionssteuereinrichtung für die Sonde 287. Zu diesem Zeitpunkt wird die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 289 so ausgewählt, das der hochfrequent modulierte Bestandteil des Tunnelstroms entfernt werden kann, der durch Abtasten der Standardskala mit der Sonde durch Vibration der Sonde in seitlicher Richtung über die Standardskala und durch Ändern der Höhen der gegeneinandergerichteten Teile der Standardskala und der Sonde verursacht wird, wodurch die langsame Änderung des Tunnelstroms durch Neigung der Standardskala und dergleichen während des relativen Bewegens des Untersuchungsobjektes 281 und des Untersuchungsobjektes 282 in der Seitenrichtung gegeneinander ermöglicht wird. Deshalb folgt die Longitudinalpositionssteuereinrichtung 287 der Sonde nicht den Tunnelstromänderungen durch Vibration, sondern führt die longitudinale Positionskontrolle der Sonde durch, indem sie nur der Tunnelstromänderung durch die relative Bewegung der Untersuchungsobjekte 281 und 282 gegeneinander folgt.
Durch Vibration der Sonde aufgrund der Sondenvibratoreinrichtung 286 erscheint, während die Sonde die Skala abtastet, im zwischen Sonde und Standardskala fließenden Tunnelstrom die Modulationskomponente mit einer Frequenz von (2p/d)·f, wobei p der Standardskalenabstand ist. Hier bewirkt, wenn das Untersuchungselement 281 und das Untersuchungselement 282 sich relativ zueinander in Seitenrichtung gegeneinander bewegen, die Modulationskomponente mit einer Frequenz (2p/d)·f, die im vorstehend genannten Tunnelstrom erscheint, eine Phasenabweichung relativ zum Standardsignal (das heißt, zum Sondenvibrationssignal). Da eine Periode (Phasenabweichung von 2π) der relativen, seitlichen, einem Teilstrich der Standardskala entsprechenden Abweichung zwischen Sonde und Standardskala entspricht, kann durch Feststellen der Phasenabweichung der Wert der relativen seitlichen Bewegung des Untersuchungsobjektes 281 und des Untersuchungsobjektes 282 gegeneinander festgestellt werden. In diesem Fall ist, selbst, wenn es einen Defekt und dergleichen der Standardskala geben kann, nur ein Teil der Wellenform des Signals gestört, was kaum irgendeinen Einfluß auf die Phasenabweichung besitzt, wodurch Präzisionsverringerung aufgrund äußerer Störungen, wie zum Beispiel Defekten und dergleichen, nicht leicht bewirkt werden kann.
Unter weiterem Bezug auf Fig. 29 und Fig. 30 ist nun das System zur Signalverarbeitung zu beschreiben.
Die Modulationskomponente mit der Frequenz (2p/d)·f, die im Tunnelstrom auftritt, wird über die Stromspannungswandlerschaltung 309 (2d in der Zeichnung), weiter durch die Verstärkerschaltung 310, durch die logarithmische Umsetzerschaltung 291 und durch den Bandpaßfilter 292 abgenommen, und nach binärer Umwandlung durch die Binärschaltung 293 wird das Signal 2e erhalten. Hier wird die Amplitude des Sondenvibrationssignals 2c (Verstärkung des Verstärkerschaltkreises 302), das an die Sondenvibratoreinrichtung 286 angelegt ist, so gesteuert, daß sie d = 2p/n ergibt, wodurch die Frequenz des Signals 2e auf nf abgestimmt wird. Weiter wird mit dem Signal 2b als Referenzsignal, das eine Frequenz besitzt, die aus der Frequenz von Signal 2a aus dem Oszillator 307 durch Herunterteilen in der Frequenzteilerschaltung 304 auf 1/n abgeleitet wird, das Signal 2e durch die Torschaltung 294 in zwei Signale 2f und 2g aufgeteilt.
Auch das Signal 2a wird durch die Torschaltung 305 in die zwei Signale 2h und 21 aufgeteilt, wobei 2b das Referenzsignal ist.
Hier werden die beiden Signale 2f und 2h in einen Phasenvergleicher 295 eingegeben, und das Phasendifferenzausgangssignal 2j wird in einer Mittelwertschaltung 296 gemittelt, und man erhält das Signal 2k. Wenn das Untersuchungsobjekt 281 und das Untersuchungsobjekt 282 sich relativ in Seitenrichtung gegeneinander bewegen, wird sich das Signal 2k wie das Signal 3a entsprechend ihren relativen Bewegungswerten ändern.
Weiter wird jedesmal, wenn die Phasendifferenz 2nπ wird (n: ganze Zahl), zum Beispiel der Nulldurchgangspunkt des Phasendifferenzausgangssignals 2k (3a) von der binären Wandlerschaltung 297 festgestellt, die dann Impulse erzeugt (Signal 3b), und die relative Phasenabweichung zwischen dem Signal 2f und dem Signal 2h (Enkoderausgangssignal 3c) kann festgestellt werden durch Zählen der Impulszahl durch einen Aufwärts/Abwärtszähler 298. Zu diesem Zeitpunkt wird das Richtungssignal der Phasenabweichung, das in den Zähler 298 eingegeben wird, nämlich die Aufwärts/Abwärtsbedingung (Mark), wie folgt festgestellt. Aus dem Ausgabesignal 2a aus dem Oszillator 307 wird unter Verwendung des Phasenschiebers 308 und der Torschaltung 306 ein Signal 21 gebildet, das um 90º in der Phase relativ zum Signal 2h verschoben ist. Durch Eingabe des Signals 2f und des Signals 21 in den Phasenkomparator 299, wird das Phasendifferenzaus gabesignal 2m durch die Mittelwertschaltung 300 gemittelt, und man erhält das Signal 2n. Ähnlich wie das Signal 2k ändert sich, wenn sich das Untersuchungsobjekt 281 und das Untersuchungsobjekt 282 relativ in seitlicher Richtung gegeneinander bewegen, das Signal 2n wie das Signal 3d entsprechend ihrer relativen Bewegungswerte. Weiter wird das Signal 3d durch die Binärwandlerschaltung 301 zu einem Binärwert gewandelt und ergibt ein Richtungssignal der Phasenabweichung, nämlich das Aufwärts/Abwärtssignal 3e, das in den Aufwärts/Abwärtszähler eingegeben wird.
Wenn das Aufwärts/Abwärtssignal 3e an den Anstiegspunkten (3b&sub1;, 3b&sub2;, Sb&sub3;) des Bewegungswertpulssignals 3b positiv ist, addiert der Aufwärts/Abwärtszähler 298 die Impulszahl. Ist im Gegenteil das Aufwärts/Abwärtssignal 3e an den Anstiegspunkten negativ, wird die Impulszahl abgezogen.
So kann also der Wert der relativen Bewegung der Untersuchungsobjekte 281 und 282 in seitlicher Richtung gegeneinander festgestellt werden. Im System gemäß dieser Ausführungsform entspricht eine Periode der Phasenabweichung (2%) dem relativen Bewegungswert eines Skalenteils auf der Standardskala. Selbst wenn es auf der Standardskala einen Defekt und dergleichen geben kann, ist nur ein Teil der Wellenform des Signals gestört, und der Wert der Phasenabweichung wird kaum dadurch beeinflußt werden. Deshalb kann der gemessene Wert selbst bei externer Störung genau bleiben. Der relative Bewegungswert kann, obwohl in dieser Ausführungsform nichts erwähnt ist, auch festgestellt werden durch Durchführen der gleichen Signalverarbeitung für das Signal 2g und 21.
Die in der vorstehenden Ausführungsform verwendete Einkristallsonde 284 (der Enkoder in Fig. 28) wird hergestellt durch Verwendung des Kristallzüchtungsverfahrens, das in Fig. 13 dargestellt ist. Kurz gesagt, besitzt die Einkristallsonde, die in Fig. 16 dargestellt ist, jeweils Kristallflächen, die vier (111)-Gitternetzebenen 162a, acht Gitternetzebenen 162b und eine hochdimensionale Gitternetzebene 163 zwischen (311) und (411) umfassen, und bildet einen hervorstehenden Bereich 161 mit vier dreieckigen Gitternetzebenen 163.
Es kann bestätigt werden, daß durch Aufbauen der Einkristallsonde auf einen Enkoder ein Enkoder hoher Leistung und hoher Auflösungsleistung bereitgestellt werden kann, der nachweislich vorteilhaft bei Hochgeschwindigkeitvibration ist wegen der starken Beständigkeit gegen elektrische Störeinstrahlung, Erschütte rung (Geräusche, Erdbeben und dergleichen) und der hohen Steifigkeit, und der auch hervorragend ist unter dem Gesichtspunkt der Reproduzierbarkeit der Information und der Stabilität der Vorrichtung.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Mikrosonde der vorliegenden Erfindung eine Einkristallsonde mit einem scharfen hervorstehenden Bereich mit einer Größe im atomaren Bereich, umgeben von Kristallflächen, die bestimmte Gitternetzebenenrichtungen besitzen und bestimmte Gitternetzebenen umfassen, und auch mit hoher Steifigkeit ohne Arbeitsverzerrung und ist deshalb sehr nützlich bei der praktischen Anwendung.
Diese Einkristallsonden können frei ausgewählt werden als Einzelstücke oder als größere Anzahl und können daneben gemäß der Erfindung an jeder gewünschten Position mit guter Steuerbarkeit gebildet werden. Deshalb ist es möglich, das Herstellungsverfahren auf hohe Ausbeute zu trimmen und trotzdem einen hervorragenden Durchsatz bei niedrigen Kosten zu erhalten.
Die erfindungsgemäße Mikrosonde kann in einem weiten Bereich von Anwendungen eingesetzt werden, weil jeder Leiter, Halbleiter und Nichtleiter als Aufbaumaterial ausgewählt werden kann.
Beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann, da ein Einkristall mit Kristallflächenstruktur gezüchtet wird, durch genaue Steuerung der Produktionsprozeßbedingungen eine Mikrosonde mit einer Rundung mit einem Radius im molekularen oder atomaren Bereich mit guter Reproduzierbarkeit erhalten werden.
Bei der erfindungsgemäßen Mikrosonde kann eine Abnahmeelektrode oder ein Stromverstärker in Nachbarschaft gebildet werden. Insbesondere das Signalrauschverhältnis kann aufgrund eines Verstärkers in der Nachbarschaft der Einkristallsonde um ein bis zwei Größenordnungen verbessert werden im Vergleich zur Stromverstärkung der Mikrosonden des Standes der Technik. Auch die Herstellungsschritte für die Bereitstellung einer Abnahmeelektrode oder eines Verstärkers können leicht in einer Serie von Herstellungsschritten der Einkristallsonde eingebaut werden, und die Einkristallsonde kann ohne Schaden hergestellt werden.
Weiter hat die Bildung einer Vielzahl von Sondenelektroden, die unabhängig voneinander angesprochen werden, zum Beispiel die Wirkung, daß in einer Vorrichtung zur Aufzeichnung beziehungsweise Wiedergabe mit hoher Dichte die Aufzeichnung auf einer Vielzahl von Bereichen und die Wiedergabe von einer Vielzahl von Bereichen gleichzeitig durchgeführt werden kann.

Claims

1. Mikrosonde, umfassend einen Einkristall (4), der in Kontakt (a) mit der Oberfläche eines einkristallinen Substrates (1) oder (b) mit einem Dünnfilm, der auf einem einkristallinen Substrat (1) gebildet wurde, steht, wobei der Kristall (4) einen hervorstehenden Bereich (5) besitzt, der von spezifischen Kristallflächen umgeben ist, wobei:

der Kristall (4) an einer festgelegten Stellen bereitgestellt ist, an der ein Material (41), das sich jeweils von dem Kristall (4) und auch von (a) dem Substrat (1) oder (b) dem Dünnfilm (2) unterscheidet, in Kontakt mit und bedeckt durch den Einkristall (4) bereitgestellt ist, wobei sich der Einkristall über das Material (41) ausdehnt, wodurch er auch einen Teil der Oberfläche (a) des Substrates (1) oder (b) des Dünnfilms (2) bedeckt.

2. Mikrosonde nach Anspruch 1, worin der Einkristall (4) in Kontakt mit dem Dünnfilm und an einer festgelegten Stelle bereitgestellt ist, an der das Substrat (1) durch eine Öffnung in dem Dünnfilm freigelegt ist.

3. Mikrosonde nach einem der vorherigen Ansprüche, worin der Dünnfilm (2) Siliciumdioxid umfaßt.

4. Mikrosonde nach einem der vorherigen Ansprüche, worin die Kristallflächen im Bereich (411) bis (311) liegen.

5. Mikrosonde nach einem der vorherigen Ansprüche, worin der Einkristall (4) ein Wolframeinkristall ist.

6. Mikrosonde nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, worin der Einkristall (4) ein Siliciumeinkristall ist.

7. Mikrosonde nach einem der vorherigen Ansprüche, die eine Elektrodenverdrahtung (31 bis 33) besitzt, die auf der Oberfläche (a) des Substrates (1) oder (b) des Dünnfilms (2) bereitgestellt ist und an den Einkristall (4) angeschlossen ist.

8. Mikrosonde nach einem der vorherigen Ansprüche, die einen Verstärker (34) besitzt, der auf der Oberfläche des Substrates (1) oder des Dünnfilms (2) bereitgestellt ist und an den Einkristall (4) angeschlossen ist.

9. Mikrosonde nach Anspruch 8, worin der Verstärker (34) ein Stromverstärker ist.

10. Mikrosonde nach einem der vorherigen Ansprüche, worin eine Vielzahl von Einkristallen (4) bereitgestellt sind, wobei jeder Einkristall an bestimmten Stellen bereitgestellt ist, an denen das Material (41) bereitgestellt ist.

11. Mikrosonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 oder einem der Ansprüche 7 bis 10, die von einem der Ansprüche 1 bis 5 abhängen, worin das Material (41) Silicium ist.

12. Verfahren zum Nachweis von Strom, das einen Schritt einschließt, bei dem die Mikrosonde verwendet wird, die in einem der vorhergehenden Ansprüchen definiert wurde.