DE69121868T2 - Freitragende Sonde und Apparat zur Anwendung derselben - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Auslegertastkopf, der in einem Tunnel-Abtastmikroskop oder einem Informationsverarbeitungsgerät eingesetzt wird, in dem das Prinzip der Tunnel-Abtatsmikroskopie angewandt wird, sowie auf ein Verfahren zum Herstellen des Tastkopfes.
• Ferner betrifft die Erfindung ein Tunnel- Abtastmikroskop und ein Informationsverarbeitungsgerät, mit dem Informationen aufgezeichnet, reproduziert und gelöscht werden können.
• In der letzten Zeit wurden Untersuchungen hinsichtlich der Anwendung der Technik der Tunnel-Abtastmikroskopie auf verschiedenen Gebieten wie (i) zum Betrachten eines Halbleiters oder Polymers in atomarer oder molekularer Größenordnung, (ii) zur Feinbearbeitung (E.E. Ehrichs, "Proceedings of 4th International Conference on Scanning Tunneling Microscopy/Spectroscopy", 1989, S. 13-3) und (iii) zum Aufzeichnen von Daten.
• In einem Tunnel-Abtastmikroskop muß ein Tastkopf zum Messen von Tunnelstrom klein bemessen sein, um (1) die thermische Drift zu verringertn, (2) die mechanische Resonanzfrequenz zu erhöhen und (3) die Empfindlichkeit gegenüber externen Vibrationen zu verringern. Daher wurden die Tastköpfe mit kleinen Abmessungen unter Anwendung von Halbleiter-Verarbeitungstechniken hergestellt (C.F. Quate u.a., "Transducer 1989", Vortrag Nr. D3.6, Juni 1989).
• Darüber hinaus wird auch ein kompaktes Aufzeichnungsgerät gefordert, da in zunehmendem Ausmaß Aufzeichnungsgeräte mit einer großen Speicherkapazität zum Verarbeiten von Computer- oder Bildinformationen erforderlich sind. Durch die Entwicklung einer Halbleiter- Verarbeitungstechnik wurde der Mikroprozessor für ein derartiges Gerät sehr kompakt gestaltet und seine Fähigkeit zum Verarbeiten von Informationsberechnungen wurde verbessert.
• Zum Erfüllen dieser Erfordernisse ist in dem US-Patent 4 829 507 ein System zum Aufzeichnen und Auslesen von Informationen mit Dichten in atomarer Größenordnung vorgeschlagen, welches ein Aufzeichnungsmaterial mit einem Träger und eine Vorrichtung zum Formen eines Musters aus atomaren Teilchen auf der Oberfläche des Trägers enthält.
• In einer derartigen Vorrichtung ist es erforderlich, das Objekt mit einem Tastkopf über einen Bereich von einigen nm bis zu einigen µm abzutasten. Zum Bewegen der Vorrichtung wird ein piezoelektrisches Element benutzt. Zu Beispielen für derartige Bewegungsmechanismen zählen die Dreibein-Ausführung und die Zylinder-Ausführung. Bei der Dreibein-Ausführung sind drei piezoelektrische Elemente, die zueinander in X-, Y- und Z-Richtung senkrecht sind, und ein Tastkopf zusammengesetzt, der an dem Schnittpunkt der drei Elemente angeordnet ist.
• Bei einem zylindrischen Mechanismus wird ein Ende mit aufgeteilten Elektroden benutzt, die um die Umfangsfläche eines zylindrischen piezoelektrischen Elementes herum angebracht sind. Ein Tastkopf ist an dem anderen Ende der aufgeteilten Elektroden angebracht, mit dem durch Biegen des Zylinders entsprechend der jeweiligen Teilelektrode abgetastet werden kann. In der letzten Zeit wurden Versuche unternommen, durch Anwenden von Feinstbearbeitungsverfahren unter Nutzung der Halbleiterverarbeitung einen feinen Auslegertastkopf herzustellen (K.E. Peterson, "IEEE Trans. on Electron Devices", Band ED-25, Nr. 10, Seiten 1241-1249, 1978). Fig. 31 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen bimorphen Auslegers nach dem Stand der Technik, der an einem Siliziumsubstrat (Si-Substrat) durch Anwenden eines Feinstbearbeitungsverfahrens gebildet ist [T.R. Albrecht, "Microfabrication of Integrated Scanning Tunneling Microscope", "Proceedings of 4th International Conference on Scanning Tunneling Microscopy/Spectroscopy", 1989, S10-2]. Fig. 32 ist eine Schnittansicht des Auslegers.
• Der Ausleger wird an einem Siliziumsubstrat dadurch gebildet, daß aufgeteilte Elektroden 74a und 74b, piezoelektrisches ZnO-Material 75, eine Zwischenelektrode 73, piezoelektrisches ZnO-Material 75' und aufgeteilte Elektroden 72a und 72b in dieser Aufeinanderfolge aufgeschichtet werden, wonach durch anisotropes Ätzen ein Teil des Siliziumsubstrates unterhalb des Auslegers entfernt wird.
• Ein Metalltastkopf 77, der durch Kleben oder dergleichen an einem Ende des piezoelektrischen bimorphen Auslegers angebracht ist, kann über eine Zeichen- oder Abzugselektrode 76 einen Tunnelstrom erfassen.
• Der Ausleger kann auf unabhängige Weise dreidimensional durch Steuern von Spannungen bewegt werden, die an vier Bereiche des piezoelektrischen Materials angelegt werden, welche die zwei zwischen die oberen aufgeteilten Elektroden 72a und 72b und die Zwischenelektrode 73 eingefaßten Bereiche und die zwei zwischen die unteren aufgeteilten Elektroden 74a und 74b und die Zwischenelektrode 73 eingefaßten Bereiche sind.
• Fig. 33(a) bis 33(c) sind Darstellungen, die dreidimensionale Bewegungen eines Auslegers nach dem Stand der Technik veranschaulichen, welche durch das Ändern von Kombinationen von Bereichen erzielt werden, an die in den durch die Paare der aufgeteilten Elektroden geteilten vier Bereichen des piezoelektrischen Materials Spannungen angelegt werden.
• In Fig. 33(a) ist eine Bewegung des Auslegers gezeigt, durch die der Tastkopf 77 in der in Fig. 31 dargestellten Y-Richtung bewegt werden kann, wenn Spannungen mit der gleichen Phase derart angelegt werden, daß sich die vier Bereiche gleichzeitig zusammenziehen können. In Fig. 33(b) ist eine Bewegung des Auslegers gezeigt, durch die der Tastkopf 77 in der in Fig. 31 dargestellten X-Richtung bewegt werden kann, wenn sich der obere und der untere Bereich an der rechten Seite ausdehnt und der obere und der untere Bereich an der linken Seite zusammenzieht. In Fig. 33(c) ist eine Bewegung des Auslegers gezeigt, durch die der Tastkopf 77 in der in Fig. 31 dargestellten Z-Richtung bewegt werden kann, wenn sich der rechte und der linke Bereich an der oberen Seite zusammenzieht und der rechte und der linke Bereich an der unteren Seite ausdehnt.
• In Fig. 34(a) bis 34(d) ist schematisch ein Prozess zum Herstellen eines Auslegertastkopfes nach dem Stand der Technik durch Anwenden eines Feinstbearbeitungsverfahrens dargestellt.
• Auf beidenseiten eines Siliziumsubstrates 1 mit (100) Kristallfläche wird eine Maskenschicht 79 gebildet, welche zum Ätzen des Siliziumsubstrates durch anisotropes Ätzen benutzt wird. Ein Beispiel für das anisotrope Ätzen ist in "PROCEEDINGS OF THE IEEE", Band 70, Nr. 5, Mai 1982, beschrieben. Als nächstes wird durch Fotolithografie in der Maskenschicht an der zweiten Oberfläche eine Öffnung für das anisotrope Ätzen ausgebildet (Fig. 34(a)).
• Der Fotolithografie-Prozeß ist beispielsweise durch Corona Co. in "Integrated Electronics", Seiten 78-81, Juli 1983, beschrieben. Auf die erste Oberfläche des Siliziumsubstrats wird eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht, die zu einer Elektrode wird, wonach durch Fotolithografie ein Muster zum Formen einer Elektrode 74 gebildet wird. Auf die Elektrode 74 wird piezoelektrisches Material 75 aufgebracht, wonach ein Muster geformt wird. Auf gleichartige Weise werden eine Elektrode 73, piezoelektrisches Material 75 und eine Elektrode 72 gebildet (Fig. 34(b)). Ein Ausleger wird dadurch geformt, daß durch anisotropes Ätzen von der zweiten Oberfläche des Siliziumsubstrates 1 her ein Teil des Siliziumsubstrates unterhalb eines auslegerförmigen Musters entfernt wird (Fig. 34(c)). Zum Herstellen eines Auslegertastkopfes wird durch Ankleben eines Metallteiles aus Pt, Rh oder W an ein Ende des auf diese Weise vorbereiteten Auslegers ein Tastkopf 77 gebildet (Fig. 34(d)).
• Durch Anwenden eines derartigen Feinstbearbeitungsverfahrens ist es möglich, einen feinen Auslegertastkopf und auch einen Mehrfachtastkopf herzustellen, der dazu benötigt wird, die Geschwindigkeit des Einschreibens oder Auslesens von Informationen in einem Aufzeichnungs/Wiedergabegerät zu verbessern.
• Bei einer derartigen Vorrichtung ist es jedoch zum Aufschichten von Elektrodenfilmen und von piezoelektrischem Material erforderlich, die Dicke und die mechanische Spannung einer jeden Schicht auf genaue Weise zu steuern. Dies ist deshalb der Fall, weil das Biegen eines durch Ätzen eines Siliziumsubstrates hergestellten Auslegers in Abhängigkeit von der Filmdicke und der mechanischen Spannung einer jeden Schicht auftritt.
• Das Biegeausmaß (Δ) des in Fig. 31 und Fig. 32 dargestellten Auslegers in der Längsrichtung ist zu folgender Gleichung proportional:
• Hierbei sind mit t1, t2, t3, t4 und t5 jeweils die Dicken der Elektrode 74, des piezoelektrischen Materials 75, der Elektrode 73, des piezoelektrischen Materials 75' und der Elektrode 72 bezeichnet und mit 1, 2, 3 und 4 sind jeweils die mechanischen Spannungen der Elektrode 74, des piezoelektrischen Materials 75, des piezoelektrischen Materials 75' und der Elektrode 72 bezeichnet.
• Die Verbiegung eines Auslegers tritt aus folgenden Gründen auf: (1) Abweichung der Dicke t1, t2, t3 und t4 einer jeweiligen dünnen Schicht, (2) Verteilung der inneren Spannung des Filines in der Richtung der Filmdicke (bei t2 = t4, 2 ≠ 4), (3) Art des Substratmaterials und der Oberflächenrauhigkeit bei der Aufschichtung und (4) durch die Aufschichtung verursachte Änderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrates.
• Das dadurch verursachte Biegen eines Auslegers macht es schwierig, einen geeigneten räumlichen Zusammenhang zwischen dem Meßkopf und dem Aufzeichnungsträger herbeizuführen sowie die für das Erfassen von Tunnelstrom erforderlichen Abstände einzuhalten. Bei dem Einsatz einer Vielzahl von Tastköpfen ist dies ein schwerwiegendes Problem. Ealls nicht jeder Ausleger auf genaue Weise an der jeweils richtigen Stelle angesetzt wird, gehen die Vorteile eines nach einem Feinstbearbeitungsverfahren hergestellten Auslegertastkopfes verloren.
• Darüber hinaus ist bei dem Stand der Technik ein Nachteil durch das zweimalige Atzen eines Siliziumsubstrates von der Gegenfläche her verursacht. Bei dem ersten anisotropen Atzen sowie auch bei dem Plasmaätzen ist wegen einer unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeit oder einer unterschiedlichen Dicke eines Siliziumplättchens die Dicke oder die Größe einer Siliziummembran nicht gleichförmig. Infolgedessen sind die Abmessungen eines hergestellten Auslegers nicht gleichförmig. Daher ist das Ausmaß einer Versetzung des Tastkopfes auf eine Ansteuerungsspannung hin nicht gleichmäßig. Bei dem Ausbilden einer Vielzahl von Auslegern an einem Substrat ist es besonders schwierig, das Ausmaß der Versetzung eines Tastkopfes zu steuern.
• Ferner ist es erforderlich, zum Verbessern der Genauigkeit der zweiseitigen Ausrichtung oder Ätzung ein doppelseitig poliertes Substrat zu verwenden, weil das anisotrope Ätzen von der Rückseite des Substrates her ausgeführt wird.
• In der EP-A-0480645 (die gemäß Artikel 54(3) EPC den Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Anmeldung bildet) ist ein Ausleger-Tastkopf beschrieben, der zwei Schichten aus piezoelektrischem Material enthält, die zum Bilden einer Schichtenstruktur zwischen drei Paaren von Ansteuerungselektroden eingefaßt sind. An der Schichtenstruktur ist eine Spitze für die Eingabe und Ausgabe von Informationen angebracht. Über der obersten Elektrode ist eine Isolierschicht ausgebildet, um eine Isolierschicht über einer zusätzlichen Abschirmungselektrode für den Tastkopf zu bilden.
• In der EP-A-0309236 ist ein Mikro-Tastkopf beschrieben, der einen Einkristall an einem Teil der Oberfläche eines Substrates aufweist.
• In der WO-A-89/07258 ist ein Auslegertastkopf beschrieben, der eine Schichtenstruktur mit zwei Schichten aus piezoelektrischem Material aufweist, die zwischen drei Ansteuerungselektroden eingefügt sind. An der Schichtenstruktur ist eine Spitze für die Eingabe und Ausgabe von Informationen angebracht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Auslegertastkopf zu schaffen, an dem der Zwischenraum zwischen einem Objekt und einem Tastkopf (oder Mehrfachtastkopf) annähernd durch Unterdrücken der Verbiegungstendenz eines Auslegers eingeregelt werden kann, und die Geschwindigkeit einer Betrachtung sowie einer Übertragung, Aufzeichnung oder Reproduktion von Informationen zu verbessern.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, unter Verwendung dieses Auslegertastkopfes ein Informationsverarbeitungsgerät zu schaffen, welches ein Tunnel-Abtastmikroskop und eine Aufzeichnungs/Wiedergabevorrichtung enthält.
• Erfindungsgemäß wird ein Auslegertastkopf geschaffen, der ein piezoelektrisches Material, eine Vielzahl von Ansteuerungselektroden für das Verformen des piezoelektrischen Materials, welches zum Bilden einer Schichtenstruktur zwischen die Ansteuerungselektroden geschichtet ist, eine an der Schichtenstruktur angebrachte Spitze für die Eingabe und die Ausgabe von Informationen und eine mit der Spitze verbundene Zeichen- bzw. Abzugselektrode aufweist und der ferner durch einen elektrisch nicht leitenden Dünnfilm gekennzeichnet ist, der die Schichtenstruktur vollständig überdeckt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes,
• Fig. 2 bis 5 sind schematische Darstellungen, die einen Prozeß für das Formen eines erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes veranschaulichen,
• Fig. 6 bis 9 sind schematische Darstellungen, die einen Prozeß gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel veranschaulichen,
• Fig. 10 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Aufzeichnungs/Wiedergabegerätes,
• Fig. 11 ist eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes,
• Fig. 12 ist eine Ansicht eines Schnittes nach Fig. 11 entlang einer Schnittlinie A-A' in Fig. 11,
• Fig. 13(a) bis 13(e) sind Darstellungen, die Schritte zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes veranschaulichen,
• Fig. 14 ist eine Darstellung, die das Prinzip der Ansteuerung eines erfindungsgermäßen Auslegertastkopfes veranschaulicht,
• Fig. 15 ist eine Darstellung, die eine zeitliche Abhängigkeit einer Steuervorspannung nach Fig. 14 zeigt,
• Fig. 16 ist eine Darstellung einer Spurnachführung in einem erfindungsgemäßen Gerät,
• Fig. 17 ist eine Darstellung einer Schwingungswelle bei der Spurnachführung,
• Fig. 18(a) bis 18(e) sind Darstellungen eines andersartigen Prozesses für das Herstellen eines erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes,
• Fig. 19 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Tunnel-Abtastmikroskopes,
• Fig. 20 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Aufzeichnungs/Wiedergabegerätes,
• Fig. 21 ist eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Aufzeichnungs/Wiedergabekopfes mit einer Vielzahl von Tastköpfen,
• Fig. 22 ist eine Darstellung der Spurnachführung in einem erfindungsgemäßen Aufzeichnungs/Wiedergabegerät,
• Fig. 23(a) ist eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes,
• Fig. 23(b) ist eine Schnittansicht von Fig. 23(a) entlanq einer Schnittlinie A-A' in Fig. 23(a),
• Fig. 24(a) bis 24(e) sind Darstellungen von Schritten zum Erzeugen eines erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes,
• Fig. 25 ist eine Darstellung&sub1; die das Prinzip der Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes veranschaulicht&sub1;
• Fig. 26 ist eine Blockdarstellung eines erfindungsgemäßen Tunnel-Abtastmikroskopes,
• Fig. 27 ist eine Darstellung, die einen anderen Prozeß zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes veranschaulicht,
• Fig. 28 ist eine schematische Ansicht eines bei einem Beispiel 11 dargestellten Auslegertastkopfes,
• Fig. 29 ist eine schematische Ansicht eines bei einem Beispiel 12 dargestellten Auslegertastkopfes,
• Fig. 30 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Informationsverarbeitungsgerätes,
• Fig. 31 ist eine perspektivische Ansicht eines Auslegertastkopfes nach dem Stand der Technik,
• Fig. 32 ist eine Schnittansicht eines Auslegertastkopfes nach dem Stand der Technik,
• Fig. 33(a) ist eine Darstellung der Bewegung eines Versetzungselementes in Y-Richtung bei dem Anlegen einer Spannung an das Element,
• Fig. 33(b) ist eine Darstellung der Bewegung eines Versetzungselementes in X-Richtung bei dem Anlegen einer Spannung an das Element,
• Fig. 33(c) ist eine Darstellung der Bewegung eines Versetzungselementes in Z-Richtung bei dem Anlegen einer Spannung an das Element und
• Fig. 34(a) bis 34(d) sind Darstellungen, die Schritte eines Prozesses zum Herstellen eines Auslegertastkopfes nach dem Stand der Technik veranschaulichen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
• Die folgenden Beispiele dienen nur zum Veranschaulichen und stellen typische bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele dar. Für den Fachmann werden andere Aspekte der Erfindung offensichtlich.
Beispiel 1
• Die Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes.
• Gemäß Fig. 1 enthält der Auslegertastkopf ein Siliziumsubstrat 1, einen Siliziumnitridfilm 2, der eine Maske für das Bilden des Auslegers ist, Elektrodenschichten 3 für das Ansteuern von piezoelektrischen Schichten, piezoelektrische Schichten 4 und eine Schutzschicht 5. An der Schutzschicht 5 ist eine Spitze 6 zum Messen von Tunnelstrom ausgebildet.
• Gemäß der Darstellung in Fig. 1 sind die piezoelektrischen Schichten, die zu einer Verschlechterung tendieren, durch den Nitridfilm 2, welcher ein Maskenmaterial ist, und die Schutzschicht 5 abgedeckt.
• Es wird ein Prozeß zum Formen des Auslegers gemäß einem in Fig. 2 bis Fig. 5 dargestellten Ablauf erläutert.
• Auf beiden Seiten des Siliziumsubstrates 1 mit der (100)-Kristallfläche wird durch chemische Niederdruck- Dampfablagerung (LPCVD) ein 150 nm dicker Silizumnitridfilm 2 ausgebildet. Dann wird durch Ätzen in einem Muster gemäß Fig. 3 unter Anwendung eines Plasmaverfahrens mit CF&sub4; ein Öffnungsbereich 7 gebildet, um eine in Fig. 2 dargestellte Struktur zu erhalten.
• Als nächstes wird auf dem Nitridfilm 2 als Film eine 200 nm dicke Elektrodenschicht 3 ausgebildet, wonach ein Muster geformt wird. Auf die Elektrodenschicht 3 wird als Film eine 1 µm dicke piezoelektrische Schicht 4 aufgebracht. Dieser Prozess wird wiederholt. Die beiden piezoeiektrischen Schichten 4 werden zu einem Muster geformt, um eine in Fig. 4 dargestellte Struktur zu erhalten. Das Elektrodenmaterial ist vorzugsweise Au, Pd, Pt oder dergleichen. Das piezoelektrische Material für die piezoelektrische Schicht 4 ist vorzugsweise ZnO, AlN, PZT oder dergleichen. In dem Fall, daß während des Ätzens des Elektrodenmaterials kein ausreichendes Selektionsverhältnis zu dem piezoelektrischen Material erzielt wird, kann die Elektrodenschicht unter Anwendung eines Abhebeverfahrens zu einem Film geformt werden. Nach einem chemischen Plasma- Bedampfungsverfahren wird unter Erwärmung des Materials auf 200ºC ein 500 nm dicker Siliziumnitridfilm als Schutzschicht aufgebracht, wonach ein Muster geformt wird, um eine in Fig. 5 dargestellte Struktur zu erhalten.
• An der in Fig. 5 dargestellten Struktur werden die Spitze 6, die den Tunnelstrom erfassen kann, und eine Abzugselektrode ausgebildet, wonach die Struktur zum Formen des in Fig. 1 dargestellten Auslegers in eine Lösung zum anisotropen Ätzen getaucht wird wie in Lösungen von KOH, NH&sub3;OH oder Ethylendiamin-Pitecatechol.
• Wenn der Ausleger beispielsweise 300 µm lang und 40 µm breit ist, kann die Versetzung des Auslegers in der Richtung der Eilmdicke bei dem Anlegen einer Steuerspannung von ±5 V mehr als ±1 µm betragen, wodurch der Ausleger als Tastkopf für ein Aufzeichnungs-Wiedergabegerät verwendet werden kann.
• Durch Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ist die Maßabweichung eines Auslegers verbessert und es ist daher die Steuerbarkeit der Versetzung bei dem Ausbilden einer Vielzahl von Auslegern an einem Substrat verbessert, so daß ein Aufzeichnungs/Wiedergabegerät mit Mehrfachtastköpfen erzielt werden kann.
Beispiel 2
• Bei der Erfindung ist die Verwendung eines Siliziumnitridfilmes als Schutzfilm wirkungsvoll. Dieser Film hat jedoch eine starke innere mechanische Spannung. Daher kann die Einwirkung dieses Filmes auf das Biegen des Auslegers nicht außer acht gelassen werden.
• Andererseits ist ein Siliziumoxidfilm als Isolator nutzvoll und zeigt eine geringe innere mechanische Spannung, ohne daß die Eigenschaften als Schutzfilm verlorengehen.
• Die Schritte zum Herstellen eines Auslegers mit einem Siliziumoxidfilm werden gemäß Fig. 6 bis 9 erläutert.
• An beiden Seiten des Siliziumsubstrats 1 mit der (100)-Kristallfläche wird ein 100 nm dicker thermisch oxidierter Film 9 gebildet, wqnach durch chemische Niederdruckbedampfung LPCVD ein 150 nm dicker Siliziumnitridfilm 2 gebildet wird, um eine in Fig. 6 dargestellte Struktur zu erhalten. Zum Abätzen des Siliziums von dem Substrat 1 weg von der Rückfläche her wird ein Muster geformt.
• Durch Eintauchen in eine KOH-Lösung werden der Siliziumnitridfilm 2 und der thermisch oxidierte Film 9 sowie ein Teil des Siliziumsubstrates 1 entfernt, um ein 30 µm dickes Siliziumsubstrat in Form einer Membran mit einer in Fig. 7 dargestellten Gestaltung zu belassen. Als nächstes wird der Siliziumnitridfilm 2 durch Eintauchen in Phosphorsäure bei 150ºC für 40 Minuten entfernt, um eine in Fig. 8 dargestellte Struktur zu erhalten.
• Auf gleiche Weise wie bei dem Beispiel 1 werden abwechselnd eine piezoelektrische Schicht und eine Elektrodenschicht als Filme gebildet und Muster geformt, wonach darauffolgend als Schutzschicht 10 nach dem CVD- Verfahren oder einem Aufsprühverfahren ein 400 nm dicker Siliziumoxidfilm gebildet und zu einem Muster geformt wird. Dann wird an dem Siliziumoxidfilm 10 die Spitze 6 angebracht, wonach durch Eintauchen in eine KOH-Lösung die Membran entfernt wird, um einen in Fig. 9 dargestellten Ausleger zu erhalten.
• Bei einem Verfahren, bei dem das Silizium von der Oberfläche her geätzt wird, ist ein Siliziumoxidfilm nicht geeignet, da dessen Ätzgeschwindigkeit mit 6 nm/Minute in der KOH-Lösung zu schnell ist.
• Demnach hat im Vergleich zu einem Verfahren, bei dem ein Siliziumnitridfilm benutzt wird, dieses Verfahren einen Vorteil dadurch, daß ein Siliziumoxidfilm auf zufriedenstellende Weise das piezoelektrische Material und das Elektrodenmaterial gegenüber den äußeren Einwirkungen schützen kann, obgleich er hinsichtlich Maßabweichungen des Auslegers schlechter ist.
• Darüber hinaus hat ein Siliziumoxidfilm den Vorteil, daß er eine geringere Biegeabweichung ergibt, da er eine geringere innere mechanische Spannung hat als ein Siliziumnitridfilm. Daher ist ein Siliziumoxidfilm besonders in einem Gerät mit Mehrfachtastköpfen nutzvoll.
Beispiel 3
• Die Fig. 10 ist eine schematische Darstellung eines Aufzeichnungs/Wiedergabegerätes mit einem erfindungsgemäßen Auslegertastkopf. Gemäß Fig. 10 ist ein Silizium substrat 101 vorgesehen, an dem eine Vielzahl von Auslegertastköpfen 102 angebracht ist. Für eine Grobverstellung ist ein piezoelektrisches Element 105 vorgesehen, durch welches das Siliziumsubstrat 101 in der Z-Richtung verstellt werden kann. Es wird ein flacher Aufzeichnungsträger 103 mit Datenlinien 104 für das Bilden von Aufzeichnungsbereichen verwendet, die Bereiche sind, welche in einer Linie mit einem Auslegertastkopf abgetastet werden können.
• Durch einen (in Fig. 10 nicht dargestellten) Bewegungsmechanismus wird der Aufzeichnungsträger 103 parallel in der in Fig. 10 durch einen Pfeil dargestellten Richtung bewegt und es wird auf einer Linie ein Aufzeichnungsbereich aufgezeichnet.
• Der Auslegertastkopf 102 und das piezoelektrische Element 105 für die Grobverstellung sind derart ausgerichtet, daß sie durch einen Stellmechanismus wie einen (in Fig. 10 nicht dargestellten) Linearmotor in einer zu der Datenlinie senkrechten Richtung verstellbar sind und zum Aufzeichnen oder Reproduzieren von Daten Zugriff zu einer beliebigen Datenlinie haben können. Dabei wird der Zugriff zu einer erwünschten Datenlinie durch eine Lagedetektorvorrichtung wie einen Linearcodierer erzielt. Der jeweilige Tastkopf des Auslegertastkopfes 102 tastet eine erwünschte Datenlinie innerhalb eines jeweiligen Aufzeichnungsbereiches ab.
• Der Aufzeichnungsträger 103 weist beispielsweise einen Dünnfilm mit elektrischer Speicherwirkung auf, wie einen Film mit (i) einer Aufzeichnungsschicht aus einer organischen Verbindung mit einem p-Elektronensystem oder aus Chalcogeniten und mit (ii) einem elektrisch leitenden Substrat.
• Das Aufzeichnen erfolgt dadurch, daß zwischen den Tastkopf und das elektrisch leitende Substrat eine Spannung angelegt wird, die einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, um in der Aufzeichnungsschicht unterhalb des Tastkopfes über einen winzigen Bereich eine charakteristische Änderung hervorzurufen. Das Reproduzieren erfolgt durch Nutzung der Differenz des zwischen dem Tastkopf und der Aufzeichnungsschicht fließenden Tunnelstroms an einem Aufzeichnungsbereich und einem nicht beschrifteten Bereich.
• Als Aufzeichnungsträger 103 zählt auch ein Dünnfilm aus einem Metall wie Au, Pt oder dergleichen, dessen Oberfläche durch das Anlegen einer einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigenden Spannung plötzlich geschmolzen oder verdampft wird, um die Form der Oberfläche zu ändern und diese uneben zu machen.
• Das Aufzeichnen erfolgt dadurch, daß durch eine Treiberschaltung 111 für die Grobverstellung in der Z- Richtung das piezoelektrische Element 105 zur Grobverstellung in der Z-Richtung bewegt wird, der Auslegertastkopf 102 durch einen Stellmechanismus in die Aufzeichnungsstellung gebracht wird und eine Spannung angelegt wird, die einen vorbestimmten Schwellenwert des Aufzeichnungsträgers 103 übersteigt. Dabei wird durch eine Vorspannungsschaltung 106 an den Aufzeichnungsträger 103 eine Vörspannung angelegt und der Tastkopf wird in einem Abstand gehalten, der dazu ausreichend ist, daß ein Tunnelstrom zu dem Aufzeichnungsträger 103 hin fließt.
• Die Annäherung erfolgt dadurch, daß mit dem piezoelektrischen Element 105 für die Grobverstellung in der Z-Richtung der Tastkopf nahe an den Aufzeichnungsträger herangebracht wird, wonach ein jeweiliger Tastkopf der Vielzahl der Auslegertastköpfe 102 in einen Tunnelbereich eingezogen wird. Das Einziehen des jeweiligen Tastkopfes erfolgt dadurch, daß ein Tunnelstrom, der durch eine dem jeweiligen Tastkopf entsprechende Tunnelstrom-Meßschaltung 107 erfaßt wird, über eine Z-Richtung-Servoschaltung 110 für den jeweiligen Auslegertastkopf 102 zurückgeführt wird, wobei der Abstand zwischen dem jeweiligen Tastkopf und dem Aufzeichnungsträger auf einen konstanten Wert eingeregelt wird.
• In der Z-Richtung-Servoschaltung 110 ist ein Tiefpaßfilter angebracht. Die Grenzfrequenz ist derart gewählt, daß nicht einem Datensignal, sondern der Oberflächenwelligkeit des Aufzeichnungsträgers nachgeführt wird, wobei der mittlere Abstand zwischen dem Tastkopf und dem Aufzeichnungsträger auf einem konstanten Wert gehalten wird.
• Das Aufzeichnen erfolgt dadurch, daß aus einer Steuerschaltung 112 einer Impulsanlegeschaltung 108 ein Aufzeichnungssignal zugeführt wird und dieses als Spannungsimpuls an den jeweiligen Tastkopf angelegt wird.
• Dabei wird durch das Einsetzen einer Halteschaltung in der Z-Richtüng-Servoschaltung 110 die Steuerspannung für den Auslegertastkopf 102 während des Anlegens des Spannungsimpulses konstant gehalten, um eine durch das Anlegen des Impulses verursachte Änderung des Abstandes zwischen dem Tastkopf und dem Aufzeichnungsträger zu verhindern.
• Innerhalb eines Aufzeichnungsbereiches einer Datenlinie wird ein Aufzeichnungsbit wie eine Matrix aufgezeichnet. In eine jede Aufzeichnungsbitlinie wird eine adressierbare Information eingefügt, welche eine Unterscheidung eines Datenbits bei der Reproduktion ergibt.
• Das Reproduzieren erfolgt dadurch, daß mit dem Stellmechanismus der Tastkopf über einen eine erwünschte Datenlinie enthaltenden Aufzeichnungsbereich versetzt wird und der Tastkopf zum Erfassen des Ausmaßes einer Änderung des Tunnelstromes zwischen dem Tastkopf und der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers 103 in einem Aufzeichnungsbereich und einem unbeschrifteten Bereich benutzt wird. Dabei wird der Auslegertastkopf 102 durch eine XY-Lage-Steuerschaltung 109 gesteuert und der Tastkopf zur Abtastung des ganzen Aufzeichnungsbereiches angesteuert.
• Ein Reproduktionssignal wird über die Tunnelstrom- Meßschaltung 107 in der Steuerschaltung 112 aufbereitet und vorübergehend gespeichert. Als Reproduktionssignal werden von den Daten nur die erwünschten Daten ausgegeben.
• Durch Verwenden des vorangehend beschriebenen Auslegertastkopfes in einem Aufzeichnungs/Wiedergabegerät ist es möglich, einen mit einem einzigen Tastkopf abtastbaren Bereich zu erweitern, den Aufzeichnungsbereich zu vergrößern und die Aufzeichnungsdichte insgesamt zu erhöhen.
• Erfindungsgemäß ist es möglich, eine durch eine Abweichung bei dem Ätzen und durch die Dicke eines Si- Plättchens verursachte Maßabweichung eines Auslegers dadurch einzuschränken, daß vor dem Bilden der unteren Elektrode ein Siliziumnitridfilm gebildet wird, nach dem Bilden einer oberen Elektrode eine Schutzschicht zum Überdecken der Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht gebildet wird und die Siliziumschicht durch einmaliges anisotropes Ätzen geätzt wird.
• Es ist ferner möglich, die Zuverlässigkeit dadurch zu verbessern, daß ein zerbrechliches piezoelektrisches Material mit Siliziumnitrid überdeckt wird, welches hervorragende Wasserbeständigkeit zeigt.
• Es ist nicht erforderlich, eine doppelseitige Ausrichtung vorzunehmen und ein doppelseitig poliertes Substrat zu benutzen, weil das anisotrope Ätzen von der Oberfläche des Substrates her vorgenommen wird.
Beispiel 4
• In Fig. 11 und Fig. 12 sind als Beispiel für einen erfindungsgemäßen Auslegertastkopf Einzelheiten eines Verstellungselementes, welches piezoelektrische Dünnfilme 15 und 15', (insgesamt sechs) Elektroden 12, 13 und 14 zum Anlegen einer Vorspannung für das Verformen des piezoelektrischen Materials und einen elektrisch nicht leitenden Dünnfilm 18 zum Beseitigen der Biegung des Auslegers aufweist.
• Die Fig. 11 ist eine schematische Ansicht des Auslegertastkopfes in der Richtung eines Trägers und die Fig. 12 ist eine Schnittansicht in der Richtung der Breite entlang einer Schnittlinie A-A' in Fig. 11. Das piezoelektrische Material wird über Elektroden 12a, 12b, 13a, 13b, 14a und 14b nach Fig. 12 gesteuert. Es ist auch eine Abzugelektrode 16 für eine Spitze 17 vorgesehen.
• Fig. 13(a) bis 13(e) veranschaulichen in Grundzügen den Ablauf eines Prozesses für das Herstellen des erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes.
• Auf der zweiten Oberfläche eines Siliziumsubstrates 1 mit einer (100)-Kristallfläche wird eine Maskenschicht 19 gebildet, welche bei dem anisotropen Ätzen ein Ätzmuster bestimmt. Als nächstes wird durch Fotolithografie eine Öffnung ausgebildet (Fig. 13(a)). Auf die erste Oberfläche des Siliziumsubstrates 1 wird eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht, die zu einer Elektrode wird, wonach zum Herstellen der Elektrode 14 durch Fotolithografie ein Muster geformt wird. Auf die Elektrode 14 wird das piezoelektrische Material 15' aufgebracht und dann zu einem Muster geformt. Auf gleichartige Weise werden jeweils die Elektrode 13, das piezoelektrische Material 15 und die Elektrode 12 aufgebracht und dann zu einem Muster geformt (Fig. 13(b)).
• An einem Ende der auf diese Weise hergestellten Struktur wird ein Metallteil aus Pt, Rh, W oder dergleichen zum Bilden der Spitze 17 angeklebt (Fig. 13(c)).
• Als nächstes wird zum Bilden des Auslegertastkopfes das Substrat unterhalb der Struktur durch anisotropes Ätzen von der zweiten Fläche des Siliziumsubstrates 1 her entfernt (Fig. 13(d)). Schließlich wird zum Bilden des erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes an der Elektrode 14 der elektrisch nicht leitende Dünnfilm 18 angebracht.
• Der hier verwendete Ausdruck elektrischer Nichtleiter oder elektrisch nicht leitender Film umfaßt Materialien und Schichten, welche isolierende Eigenschaften haben, so daß ein Leckstrom von der Elektrode 14a zur Elektrode 14b oder von der Elektrode 14b zu der Elektrode 14a verhindert ist, wenn über eine Ansteuerungselektrode an das piezoelektrische Material eine Vorspannung angelegt wird.
• Typische Parameter des piezoelektrischen Materials, der Elektrode und des Auslegers sind die folgenden:
• Piezoelektrischer Dünnfilm 0,3 µm dickes ZnO
• Elektrode: 0,1 µm dickes Au
• Länge des Auslegers: 300 µm
• Breite des Auslegers: 150 µm
• Wenn der elektrisch nicht leitende Dünnfilm nicht vorhanden ist, verbiegt sich der Spitzenabschnitt des Auslegers nach oben zu der ersten Oberfläche des Siliziumsubstrates hin um 20 µm. Andererseits ist es erfindungsgemäß möglich, durch Aufbringen eines 100 nm dicken amorphen Siliziumnitridfilmes 18 auf die zweite Oberfläche des Auslegers nach einem Plasma-CVD-Verfahren gemäß der Darstellung in Fig. 13(e) das Verbiegen des Auslegers auf weniger als 1 µm einzuschränken.
• Bei diesem Beispiel wird ein piezoeiektrischer Dünnfilm durch Anwendung eines reaktiven Zerstäubungsverfahrens mit einem ZnO-Target für das Zerstäuben in einer Atmosphäre eines Gasgemisches aus Argon und Sauerstoff bei einer Substrattemperatur von 200ºC und einem Gasdruck von 10 mTorr gebildet.
• Ein Film aus Gold (Au), der zu einer Elektrode wird, wird durch ein Vakuumaufdampfverfahren gebildet. Ein typisches Verfahren zur Filmerzeugung durch Vakuumbedampfung ist von Corona Co. in "Integrated Electronics", Seiten 114-116, Juli 1983, beschrieben. Ein Film aus amorphem Siliziumnitrid, welches das elektrisch nicht leitende Material ist, wird in einem Gasgemisch aus Silan und Ammoniak in einem Verhältnis von 1:1,5 bei einer Substrattemperatur von 200ºC und einem Gasdruck von 0,5 Torr gebildet.
• In Fig. 14 und Fig. 15 ist ein Verfahren zum Anlegen einer Vorspannung zum Verstellen des in Fig. 11 dargestellten erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes dargestellt, der in dem vorangehend beschriebenen Prozeß hergestellt ist.
• Die Fig. 14 ist eine Schnittansicht des in Fig. 11 dargestellten Auslegertastkopfes in der Richtung der Breite entlang der Schnittlinle A-A'.
• Die Elektroden 12a, 12b, 13a, 13b, 14a und 14b für das Ansteuern des piezoelektrischen Materials sind durch Zweiteilung in der Richtung der Breite des Auslegers gestaltet, damit sich die piezoelektrischen Dünnulme 15 und 15' derart ausdehnen oder zusammenziehen können, daß die Spitze 17 oberhalb einer Spur vibriert. Der Abstand zwischen dem Tastkopf und dem Aufzeichnungsträger, an dem das Ablesen oder Aufzeichnen von Informationen vorgenommen werden kann, wird auf geeignete Weise eingeregelt.
• Die Elektroden 12a bis 14b sind an Steuervorspannungsschaltungen A, B, C und D angeschlossen, in denen die Vorspannungen durch eine Ansteuerungssteuerschaltung 36 gesteuert werden.
• Die Fig. 15 ist eine Darstellung, die den zeitlichen Verlauf der Vorspannungen A, B, C und D für die in Fig. 16 dargestellte Abtastbahn des Tastkopfes veranschaulicht.
• Der Abstand zwischen der Spitze 17 und dem Aufzeichnungsträger in der Richtung der Z-Achse wird durch eine Vorspannung eingeregelt, welche sich durch A(t)-B(t) oder D(t)-C(t) ergibt. Die Frequenzen der Vorspannungen A(t), B(t), C(t) und D(t) entsprechen den Frequenzen der in Fig. 17 dargestellten Vibrationswelle der Spitze 17. Die Phase der Vorspannungen A(t) und C(t) und die Phase der Vorspannungen B(t) und D(t) sind jeweils um 180º versetzt.
• Die Amplitudenbreite der vibrierenden Spitze 17 wird durch eine Vorspannung B(t)-D(t) eingestellt. Beispielsweise kann bei einem Bitdurchmesser von 5 nm durch das Anlegen von ±5 V das Ausmaß der Versetzung des durch den in Fig. 13 dargestellten Prozeß hergestellten Auslegertastkopfes in der Richtung der Z-Achse ±2 µm betragen. Infolgedessen ist es möglich, durch das Ansetzen der Vorspannungen A(t)-B(t) und D(t)-C(t) auf weniger als 5 V den Abstand zwischen dem Tastkopf und dem Aufzeichnungsträger in einem Bereich von -2 µm bis +2 µm zu ändern.
• Es ist ferner möglich, durch Ändern der Vorspannung B(t)-D(t) auf einen Absolutwert von 1,9 V den Tastkopf mit einer Amplitude von 5 nm in Schwingungen zu versetzen, welche dem Bitdurchmesser entspricht.
Beispiel 5
• Fig. 18(a) bis 18(e) sind schematische Darstellungen eines Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes.
• Auf beide Seiten eines Siliziumsubstrates 1 mit (100)- Kristallfläche wird eine Maskenschicht aufgebracht, die aus einem elektrisch nicht leitenden Film 18 besteht und die das Ätzmuster bei dem anisotropen Ätzen bestimmt. Auf der zweiten Oberfläche des Substrates 1 wird durch Fotolithografie eine Öffnung ausgebildet (Fig. 18(a)).
• Nach dem Formen eines Musters der auf der ersten Oberfläche des Substrates 1 angebrachten Maskenschicht 18 werden auf die gleiche Weise wie bei dem Beispiel 4 aufeinanderfolgend elektrisch leitfähige Schichten, die zu Elektroden werden, und piezoelektrisches Material aufgebracht, die dann zu einem Muster geformt werden (Fig. 18(b)). An einem Ende der auf diese Weise hergestellten Struktur wird die Spitze 17 ausgebildet (Fig. 18(c)). Von der zweiten Oberfläche des Siliziumsubstrates 1 her wird durch anisotropes Ätzen das Substrat unterhalb der Struktur entfernt, um einen Auslegertastkopf zu bilden (Fig. 18(d)). Schließlich wird zum Herstellen des erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes der elektrisch nicht leitende Dünnfilm 18, welcher der auf der zweiten Oberfläche des Substrates 1 angebrachten Maskenschicht entspricht, zu einem dünnen Film geätzt, bis die Biegung des Auslegers vollständig aufgehoben ist (Fig. 18(e)).
• Als bestimmtes Beispiel sind für das Formen eines piezoelektrischen Dünnfilmes, einer Elektrode und eines Auslegers die folgenden Bedingungen vorgesehen:
• Piezoelektrische Dünnschicht: 0,3 µm dickes AlN
• Elektrode: 0,1 µm dickes Aluminium (Al)
• Maske: 0,5 µm dicker Siliziumoxidfilm
• Länge des Auslegers: 300 µm
• Breite des Auslegers: 150 µm
• Wenn der elektrisch nicht leitende Dünnfilm 18 nicht geätzt wird, verbiegt sich der Spitzenabschnitt des Auslegers gegenüber der ersten Oberfläche des Siliziumsubstrates 1 µm 50 µm nach unten. Andererseits ist es möglich, durch das Ätzen des Siliziumoxidfilmes von der zweiten Oberfläche des Substrates 1 her durch ein reaktives Plasma-Ätzverfahren bis zu einer Dicke des Siliziumoxidfilmes von 150 nm die Verbiegung des Auslegers auf weniger als 1 µm einzuschränken.
• Ein piezoelektrischer Dünnfilm kann nach einem reaktiven Zerstäubungsverfahren mit einem Al-Target für das Zerstäuben in einer Atmosphäre aus einem Gasgemisch aus Argon und Stickstoff bei einer Substrattemperatur von 80ºC und einem Gasdruck von 5 mtorr gebildet werden. Ein Film aus Aluminium (Al), der zu einer Elektrode wird, wird nach einem Vakuumbedampfungsverfahren gebildet.
• Ein als Maskenschicht verwendeter Siliziumoxidfilm wird durch Erwärmen eines Siliziumsubstrates auf 1100ºC in einer Atmosphäre aus einem Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff und durch thermisches Oxidieren gebildet. Als Gas für das Ätzen des Siliziumoxidfilmes wird CF&sub4; benutzt und es wird eine Trockenätzung bei einem Druck von 10 mTorr ausgeführt.
• Der Auslegertastkopf wird nach einem in Fig. 14 dargestellten Verfahren für das Anlegen von Vorspannungen für die Verstellung gesteuert.
• Wenn ein Bitdurchmesser 5 nm beträgt, beträgt bei dem Anlegen von ±10 V das Ausmaß der Versetzung des mit dem in Fig. 18 dargestellten Prozeß hergestellten Auslegertastkopfes in der Richtung der Z-Achse ±2 µm Ferner ist es durch das Anlegen von Vorspannungen A(t)-B(t) und D(t)-c(t) von weniger als 10 V möglich, den Abstand zwischen dem Tastkopf und dem Aufzeichnungsträger innerhalb eines Bereiches ovn -2 µm bis +2 µm zu ändern.
• Es ist ferner möglich, durch Ändern der Vorspannung B(t)-D(t) um einen Absolutwert von 4 V den Tastkopf mit einer Amplitude von 5 nm in Schwingungen versetzen, welche dem Bitdurchmesser entspricht.
• Erfindungsgemäß ist es möglich, einen Auslegertastkopf zu schaffen, der zum Einstellen des Zwischenraumes zwischen dem Tastkopf und dem Aufzeichnungsträger während der Spurnachführung geeignet ist.
• Die bei den Beispielen 4 und 5 für die piezoelektrischen Dünnfilme 15 und 15' verwendeten Materialien sind ZnO und AlN. Die Dünnfilme sind jedoch nicht auf diese Materialien eingeschränkt. Die Dünnfilme können andere Materialien mit piezoelektrischem Effekt wie TiBaO, PbZrTiO oder PbTiO enthalten.
• Als Materialien für den elektrisch nicht leitenden Dünnfilm werden Siliziumoxid und amorphes Siliziumnitrid benutzt. Die Filme sind jedoch nicht auf diese Materialien eingeschränkt. Die Filme können Materialien ohne elektrische Leitfähigkeit wie beispielsweise Oxide wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Titanoxid, Nitride wie Titannitrid, Bornitrid oder Siliziumnitrid, Carbide wie SiC, TiC oder C, Boride wie ZrB&sub2; oder HfB&sub2;, Fluoride oder Sulfide sein.
Beispiel 6
• Als Ausführungsbeispiel für ein Informationsverarbeitungsgerät, in dem ein als Beispiel 4 (gemäß Fig. 11) beschriebener erfindungsgemäßer Auslegertastkopf eingesetzt ist, wird hier ein Tunnel- Abtastmikroskop (STM) beschrieben.
• Die Fig. 19 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Tunnel-Abtastmikroskops.
• Eine Schicht 201 nach Fig. 19 ist ein Siliziumsubstrat, an dem ein erfindungsgemäßer Austegertastkopf 2c2 ausgebildet ist, und eine Schicht 205 ist ein piezoelektrisches Element für eine Grobverstellung, welches das Siliziumsubstrat 201 in der Z-Richtung verstellt; ein Stellmechanismus 215 steuert die Bewegung des piezoelektrischen Elementes 205 für die Grobverstellung und des Auslegertastkopfes 202 nahe an der Objektoberfläche; es wird die Oberfläche eines leitfähigen Objektes 203 untersucht und ein XY-Feinverstellungsmechanismus 204 bewegt das Objekt 203 unter feiner Steuerung in der X- und der Y-Richtung. Das Bewegen in den Tunnel-Abtastmikroskop ist folgendermaßen zu beschreiben:
• Der Stellmechanismus 215 besteht aus einem in der Z- Richtung bewegbaren Objekttisch und ermöglicht es, von Hand oder durch einen Motor den Auslegertastkopf 202 nahe an die Oberfläche des Objektes 203 heranzubringen, um den Tastkopf 202 durch das piezoelektrische Element 205 zu einer Grobverstellung zu steuern.
• Die Annäherung wird durch Überwachen des Abstandes entweder mit einem Mikroskop oder dergleichen oder durch automatische Steuerung beendet, bei der (i) ein Servomechanismus für den Vorschub des Auslegertastkopfes 202 benutzt wird und (ii) der Stromfluß zwischen dem Tastkopf und dem Objekt erfaßt wird.
• Der Tunnelstrom, der zwischen dem Objekt 203 und dem Tastkopffließt (an den durch eine Vorspannungsschaltung 206 eine Vorspannung angelegt wird), wird mittels einer Tunnelstrom-Meßschaltung 207 erfaßt. Die Bewegung des Auslegertastkopfes 202 in der Z-Richtung wird durch eine Z- Richtung-Servoschaltung 210 derart gesteuert, daß der mittlere Abstand zwischen dem Tastkopf und der Objektoberfläche konstant gehalten wird.
• Bei dem Abtasten mit dem Ausiegertastkopf 202 in der XY-Richtung mittels einer XY-Lage-Steuerschaltung 209 ändert sich der Tunnelstrom entsprechend den feinen Unebenheiten der Objektoberfläche. Durch Überwachen des Tunnelstroms in einer Steuerschaltung 212 und Aufbereiten desselben unter Synchronisierung mit dem XY-Abtastsignal wird ein Tunnel-Abtastmikroskopbild mit konstanter Höhe erzielt. Durch Bildverarbeitung wie durch zweidimensionale schnelle Fouriertransformation (FFT) wird das Tunnel- Abtastmikroskopbild an einem Bildschirm 214 dargestellt.
• Falls dabei die Temperaturdrift in dem Gerät oder die Unebenheit oder Neigung der Oberfläche des Objektes 203 groß ist, kann der Auslegertastkopf 202 der Änderung nicht nachgeführt werden, da die Bewegung des Auslegertastkopfes 202 in der Z-Richtung gering ist. Daher wird eine Steuerung zum Nachführen mit großen Bewegungen in der Z-Richtung dadurch bewerkstelligt, daß ein Signal aus der Tunnelstrom- Meßschaltung 207 über eine Treiberschaltung 211 für eine Grobbewegung in der Z-Richtung zu dem piezoelektrischen Element 205 für die Grobverstellung geleitet wird und die Rückführung auf eine Bandbreite von 0,01 Hz bis 0,1 Hz gesteuert wird. Wenn sich ein Bereich für das Auslesen ändert, erfolgt das Auslesen dadurch, daß mit einer Treiberschaltung 213 für eine XY-Feinverstellung ein XY- Feinverstellungsmechanismus 204 zum Versetzen des Objektes in der X- und Y-Richtung bewegt wird und der Tastkopf in einen erwünschten Bereich versetzt wird.
• Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Tunnel- Abtastmikroskopes ist es möglich, ein genaues und stabiles Betrachten eines Objektes vorzunehmen.
Beispiel 7
• Nachstehend wird als anderes Ausführungsbeispiel für ein Informationsverarbeitungsgerät ein Aufzeichnungs/Wiedergabegerät beschrieben.
• Die Fig. 20 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Aufzeichnungs/Wiedergabegerätes.
• An einem Aufzeichnungs/Wiedergabekopf 300 sind gemäß der ausführlichen Darstellung in Fig. 21 erfindungsgemäße Auslegertastköpfe angeordnet. Einem Aufzeichnungsträger 221 ist gleichmäßig eine Vielzahl von Tastköpfen 311 gegenübergesetzt. Es werden der Aufzeichnungsträger 321 für das Aufzeichnen von Informationen, eine untere Elektrode 322 für das Anlegen von Spannung zwischen den Aufzeichnungsträger und den Tastkopf und ein Halter 323 für den Aufzeichnungsträger verwendet.
• Als Aufzeichnungsträger 321 wird ein Metall, ein Halbleiter oder ein Oxid verwendet. Der Aufzeichnungsträger 321 kann auch ein organischer Dünnfilm sein, der eine durch einen aus den Tastköpfen 311 abgegebenen Tunnelstrom verursachte unebene Form annehmen kann. Der Aufzeichnungsträger 321 kann ferner ein organischer Dünnfilm mit elektrischer Speicherwirkung sein, dessen elektrische Eigenschaften sich durch einen in dem organischen Dünnfilm erzeugten Tunnelstrom ändern. Der organische Dünnfilm mit elektrischer Speicherfähigkeit enthält Materialien, die in der JP-OS 63-161552 beschrieben sind, und ist vorzugsweise ein Langmuir-Blodgett-Film.
• Bei diesem Beispiel weist der Aufzeichnungsträger (1) eine untere Elektrode 322 aus einer auf Quarzglas abgelagerten 5 nm dicken Cr-Schicht und einer darauf durch Vakuumbedampfung abgelagerten 30 nm dicken Au-Schicht sowie (2) vier Schichten eines monomolekularen Filmes aus Squarilium-bis-6-Octylazulen (SOAZ) auf, die nach dem bekannten Langmuir-Blodgett-Verfahren auf die Bodenelektrode aufgebracht sind.
• Durch eine Datenmodulationsschaltung 330 werden aufzuzeichnende Daten zu einem für das Aufzeichnen geeigneten Signal moduliert und durch eine Aufzeichnungsspannung-Anlegeeinrichtung 331 werden die Informationen auf dem Aufzeichnungsträger 321 durch Anlegen von Spannung zwischen den Aufzelchnungsträger 321 und die Tastköpfe 311 gemäß einem in der Datenmodulationsschaltung 330 modulierten Signal aufgezeichnet.
• Dadurch, daß die Tastköpfe 311 in einem gewissen Abstand nahe an den Aufzeichnungsträger 321 herangebracht werden und mit der Aufzeichnungsspannung-Anlegeeinrichtung 331 ein Rechteckspannungsimpuls mit einer Amplitude von 3V und einer Breite von 50 ms angelegt wird, ändern sich die elektrischen Eigenschaften des Aufzeichnungsträgers 321 derart, daß ein Teilbereich mit niedrigem elektrischen Widerstand gebildet wird.
• Die Informationsaufzeichnung wird dadurch vorgenommen, daß diese Rechteckspannungsimpulse angelegt werden, während mit einem XY-Tisch 312 die Tastköpfe 311 zu einer Abtastbewegung über dem Aufzeichnungsträger 321 bewegt werden. In Fig. 20 ist nicht ein Abtastmechanismus für den XY-Tisch 312 dargestellt, welcher einen Steuermechanismus wie ein piezoelektrisches zylindrisches Stellglied, eine Parallelfeder, ein Differenzmikrometer und eine Schwingspule oder eine Stelischraube enthält.
• Eine Aufzeichnungssignal-Detektorschaltung 332 erfaßt einen zwischen den Tastköpfen 311 und dem Aufzeichnungsträger 321 durch Anlegen von Spannung zwischen diese fließenden Tunnelstrom. Das durch die Aufzeichnungssignal-Detektorschaltung 332 aufgenommene Tunnelstromsignal wird durch eine Datendemodulationsschaltung 333 demoduliert.
• Die Wiedergabe erfolgt dadurch, daß zwischen den Tastköpfen 311 und dem Aufzeichnungsträger 321 ein erwünschter Abstand eingehalten wird und eine Spannung wie beispielsweie eine Gleichspannung von 200 mV angelegt wird, die niedriger als die Aufzeichnungsspannung ist.
• Unter diesen Bedingungen entspricht ein Tunnelstromsignal, welches während des Abtastens entlang einer Aufzeichnungsdatenlinie an dem Aufzeichnungsträger 321 mit dem Tastkopf 311 durch die Aufzeichnungssignal- Detektorschaltung 332 erfaßt wird, einem Aufzeichnungsdatensignal.
• Infolgedessen wird durch das Umformen des Tunnelstromsignals in eine Ausgangsspannung und das Demodulieren der Daten durch die Demodulationsschaltung 333 ein Aufzeichnungsdatensignal erhalten. Von einer Tastkopfhöhe-Detektorschaltung 334 wird ein von der Aufzeichnungssignal-Detektorschaltung 332 erfaßtes Signal aufgenommen, die auf dem Vorliegen von Informationsbits basierende hochfrequente Schwingungskömponente abgeschnitten, das verbleibende Signal verarbeitet und an eine XZ-Achsen-Stellsteuerschaltung 336 ein Befehlssignal abgegeben, um die Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Tastköpfe 311 derart zu steuern, daß der Wert des verbleibenden Signals im wesentlichen konstant gehalten wird. Dadurch wird der Abstand zwischen den Tastköpfen 311 und dem Aufzeichnungsträger 321 im wesentlichen konstant gehalten.
• Eine Spurdetektorschaltung 535 erfaßt während der Abtastbewegung der Tastköpfe 311 über dem Aufzeichnungsträger 321 eine Lageabweichung der Tastköpfe 311 aus der Bahn, entlang der die Daten auf der Aufzeichnungsdatenlinie (Spur) aufzuzeichnen sind.
• Ein Beispiel für die Spurerfassung ist das folgende:
• Durch die XZ-Achsen-Stellsteuerschaltung 336 werden die Tastköpfe 311 derart gesteuert, daß sie entlang der Form einer Spur abtasten. Dabei vibrieren die Tastköpfe 311 in der Richtung quer zu der Bitlinie innerhalb der Spur mit einer Amplitude, die kleiner als eine Bitbreite ist, und mit einer Frequenz, die niedriger ist als die Frequenz der Erzeugung eines Bits.
• Die Bewegung der Tastköpfe 311 ist in Fig. 22 dargestellt.
• In Fig. 22 sind eine Spur 42, Informationsbits 41 und die Abtastbahn 40 der Tastköpfe 311 dargestellt.
• In Fig. 16 ist die Amplitude eines Tunnelstromsignals dargestellt, welches auftritt, wenn die Tastköpfe 311 in der Richtung der Breite der Spur über ein Bit laufen. Als Amplitudenkomponente für die Lage der Tastköpfe 311 in der Richtung der Spurbreite enthält ein Tunnelstromsignal, welches durch die Tastköpfe 311 erfaßt wird, die zur Abtastung über der Spur bewegt werden, während sie in der Richtung der Spurbreite vibrieren, eine Modulationskomponente mit der Frequenz der Vibration in der Richtung der Spurbreite.
• In Fig. 17 sind jeweilige Signale dargestellt, die erfaßt werden, wenn die Mitte der Vibration in der Richtung der Spurbreite an der Stelle 29b, 29c bzw. 29d in der Richtung der Spurbreite liegt. Hierbei wird eine Vibrationswelle gemäß 29a der Tastköpfe 311 in der Richtung der Breite erzeugt. Diese Wellen stellen die Welle eines Steuersignals für die Richtung der Spurbreite dar, welches an den Mechanismus zur dreidimensionalen Verstellung abgegeben wird.
• Signale 29b, 29c und 29d in Fig. 17 sind als Hüllkurven dargestellt, da die Signale aus einer Zusammensetzung von Signalen bestehen, die jedes Mal auftreten, wenn die Tastköpfe 311 über ein jeweiliges Bit laufen, wobei jedes Signal sehr klein ist, aber in großer Menge auftritt.
• Die Amplitude der Hüllkurven der erfaßten Signale ändert sich gemäß der Darstellung durch Signale 29b, 29c und 29d gemäß Fig. 17 in Abhängigkeit von der Lage des in Fig. 16 dargestellten Pfeiles. Infolgedessen werden Signale, die durch einen Vollweggleichrichter gleichgerichtet werden, zu Signalen 29b', 29c' und 29d' gemäß der Darstellung in Fig. 17.
• Falls der Tastkopf 311 in der in Fig. 16 mit 29c bezeichneten Lage ist, wird das Hüllkurvensignal der Vibrationswelle 29a des Tastkopfes 311 klein, wie es in Fig. 17 durch 29c' dargestellt ist.
• Falls der Tastkopf 311 gemäß der Darstellung durch 29b in Fig. 16 nach oben versetzt ist, wird die Phase der Vibrationswelle 29a um 180º verschoben und die Amplitude wird groß.
• Falls der Tastkopf 311 gemäß der Darstellung durch 29d in Fig. 16 nach unten versetzt ist, ist die Phase gleich der der Vibrationswelle 29a und die Amplitude wird groß. Daher wird ein zu dem Ausmaß der Versetzung von der Spurmitte weg proportionales Signal dadurch erhalten, daß ein Vibrationssteuersignal für den Tastkopf 311 in der Richtung der Spurbreite als Bezugssignal herangezogen wird und ein der Vollweggleichrichtung unterzogenes Signal erfaßt wird.
• Wenn gemäß Fig. 20 in der Spurerfassungsschaltung 335 die vorstehend beschriebene Verarbeitung ausgeführt und das sich ergebende Signal in der XZ-Achsen-Stellsteuerschaltung 336 als Rückführungssignal hinzugefügt wird, ist es möglich, die Gegenkopplungsregelung, durch die der Tastkopf 311 über der Spur gehalten wird, nämlich die Spurnachführung auszuführen.
• Die Spurnachführung bei der Reproduktion wird unter Nutzung von Bits ausgeführt, die den aufgezeichneten Informationen entsprechen.
• Die Spurnachführung bei der Aufzeichnung erfolgt dadurch, daß an einer Vielzahl von im voraus bekannten Stellen innerhalb der Spur eine Vielzahl von Bits für die Spurnachführung aufgezeichnet wird, der Tastkopf 311 nur dann zum Erfassen eines aufgezeichneten Signals in der Richtung der Spurbreite in Schwingungen versetzt wird, wenn der Tastkopf 311 über ein Bit läuft, die vorangehend beschriebene Spurnachführung und Abstandserfassung ausgeführt wird, ein Befehlssignal aus der Tastkopfhöhe- Detektorschaltung 334 und der Spurerfassungsschaltung 335 abgeschaltet wird, wenn sich der Tastkopf 311 zu einem Aufzeichnungsbereich innerhalb der Spur bewegt, und zugleich die Vibration des Tastkopfes 311 in der Richtung der Spurbreite unterbrochen wird.
• Es ist erforderlich, durch die Stellsteuerschaltung 336 das Verstellungselement derart zu verformen, das mit dem Tastkopf 311 abgetastet wird, während der Abstand zwischen dem Tastkopf 311 und dem Aufzeichnungsträger gemäß einem Signal für die Datenlinie geregelt wird, welches in der Spurerfassungsschaltung 335 mit dem für die Spurnachführung vibrierenden Tastkopf 311 erhalten wird.
• Eine Schaltung 340 für das Aufzeichnen und Reproduzieren enthält die Datenmodulationsschaltung 330, die Aufzeichnungsspannung-Anlegeeinrichtung 331, die Aufzeichnungssignal-Detektorschaltung 332, die Datendemodulationsschaltung 333, die Tastkopfhöhe- Detektorschaltung 334, die Spurerfassungsschaltung 335 und die XZ-Achsen-Stellsteuerschaltung 336.
• In dem Aufzeichnungs/Wiedergabekopf 300 nach Fig. 20 sind für die Vielzahl der Tastköpfe 311, die dem Aufzeichnungsträger und dem Stellmechanismus gegenübergesetzt sind, jeweils die Schaltungen 340 für das Aufzeichnen und Reproduzierien vorgesehen. Das Aufzeichnen und Reproduzieren mit einem jeweiligen Tastkopf und die Verstellungssteuerung eines jeweiligen Tastkopfes (Spurnachführung, Abstandsregelung) werden voneinander unabhängig ausgeführt.
• Bei diesem Beispiel wird ein Aufzeichnungs/Wiedergabegerät beschrieben. Die Erfindung ist jedoch selbstverständlich auch bei einem Aufzeichnungsgerät, einem Wiedergabegerät oder einem Aufzeichnungs/Wiedergabe/Löschgerät anwendbar.
• Gemäß der vorangehenden Beschreibung ist es möglich, die Verbiegung eines Auslegers durch Benützen eines Auslegertastkopfes zu unterdrücken, der einen elektrisch nicht leitenden Dünnfilm unterhalb der unteren Elektrode eines Verstellungselementes hat, welches Elektroden für das Verformen eines piezoelektrischen Dünnfilmes unter Nutzung des piezoelektrischen Umkehreffektes aufweist.
• Es ist ferner möglich, Informationen durch das Gestalten eines geeigneten Aufzeichnungsträgers und des Tastkopfes auf stabile Weise einzugeben oder auszugeben.
• Weiterhin kann ein Leckstrom von einer Grundelektrode zu einem Siliziumsubstrat oder zu der Oberfläche von piezoelektrischem Material verhindert und ein gleichmäßiges Zuführen einer Vorspannung für die Ansteuerung des Verstellungselementes erzielt werden.
Beispiel 8
• In Fig. 23(a) und 23(b) ist ausführlich ein Verstellungselement dargestellt, welches als Beispiel für einen erfindungsgemäßen Auslegertastkopf zwei piezoelektrische Dünnfilme 55 und 55', (insgesamt sechs) Elektroden 52, 53 und 54 für das Anlegen einer Vorspannung zum Verformen des piezoelektrischen Materials und einen elektrisch nicht leitenden Dünnfilm 58 für das Unterdrücken der Verbiegung des Auslegers aufweist.
• Die Fig. 23(a) ist eine Schnittansicht des Auslegertastkopfes in der Richtung des Auslegers und die Fig 23(b) ist eine Schnittansicht des Auslegertastkopfes in der Richtung der Breite entlang einer Schnittlinie A-A' in Fig. 23(a).
• Fig. 24(a) bis 24(e) veranschaulichen in Grundzügen den Ablauf eines Prozesses für das Herstellen des erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes.
• Auf den beiden Oberflächen eines Siliziumsubstrates 1 mit (100)-Kristallfläche wird eine Maskenschicht 59 für das Ätzen des Siliziumsubstrates durch anisotropes Ätzen gebildet, wonach durch Fotolithografie in der Maskenschicht auf der zweiten Oberfläche ein Öffnungsbereich für das anisotrope Ätzen ausgebildet wird (Fig. 24(a)). Auf die erste Oberfläche wird eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht, die zu einer Elektrode wird, wonach durch Fotolithografie das Erzeugen eines Musters zum Formen der Elektrode 54 folgt. Auf die Elektrode 54 wird das piezoelektrische Material 55' aufgebracht und zu einem Muster geformt. Auf gleichartige Weise werden die Elektrode 53, das piezoelektrische Material 55 und die Elektrode 52 gebildet und zu Mustern geformt (Fig. 24(b)). Auf das Muster wird der elektrisch nicht leitende Dünnfilm 58 aufgebracht, wonach ein Muster zum Überdecken der auslegerförmigen Struktur gebildet wird (Fig. 24(c)).
• Bei der Musterformung wird an einem Teil einer Abzugelektrode 56 ein Öffnungsabschnitt zum Anbringen einer Spitze 57 ausgebildet.
• Die Eigenschaft, die für den elektrisch nicht leitenden Dünnfilm als elektrischer Nichtleiter gefordert ist, ist die Isoliereigenschaft, durch die elektrische Störungen wie Leckströme verhindert werden, wenn über eine Ansteuerungselektrode an das piezoelektrische Material eine Vorspannung angelegt wird.
• Als nächstes wird durch Entfernen des unterhalb der auslegerförmigen Struktur liegenden Substrates 1 durch anisotropes Ätzen von der zweiten Oberfläche des Siliziumsubstrates 1 her ein Ausleger gebildet (Fig. 24(d)). An ein Ende des auf diese Weise hergestellten Auslegers wird durch Ankleben eines Metallteiles aus Pt, Rh oder W die Spitze 57 ausgebildet, um den Auslegertastkopf fertigzustellen.
• Beispiele für typische Bedingungen für die Maskenschicht, den piezoelektrischen Dünnfilm, die Elektrode, die elektrisch nicht leitende Schicht und die Abmessungen des Auslegers sind die folgenden:
• Maskenschicht: 0,2 µm dickes Si&sub3;N&sub4;
• piezoelektrischer Dünnfilm: 0,3 µm dickes AlN
• Elektrode: 0,1 µm dickes Al
• elektrisch nicht leitende Schicht: 0,3 µm dickes SiO&sub2;
• Länge des Auslegers: 300 µm
• Breite des Auslegers: 150 µm
• Hierbei wird als Maskenschicht durch chemische Niederdruck-Dampfablagerung CVD ein 200 nm dicker Si&sub3;N&sub4;- Film gebildet und ein piezoelektrischer Dünnfilm wird durch reaktive Zerstäubung mit einem Al-Target für das Zerstäuben in einer Atmosphäre aus einem Gasgemisch aus Argon und Stickstoff bei einem Gasdruck von 10 mTorr gebildet.
• Eine Al-Elektrode wird als Film durch Widerstandswärme-Verdampfung in Vakuum gebildet. Ein Siliziumoxidfilm, der zu einer elektrisch nicht leitenden Schicht wird, wird nach einem Zerstäubungsveriahren mit einem SiO&sub2;-Target in einer Argonatmosphäre bei einer Substrattemperatur von 200ºC und einem Gasdruck von 12 mTorr gebildet.
• Ein Spitzenabschnitt des Auslegers verbiegt sich gegenüber der ersten Oberfläche des Siliziumsubstrates 1 um 15 µm nach unten. Andererseits verbiegt sich ein Ausleger, an dem die elektrisch nicht leitende Dünnschicht 58 nicht angebracht ist, um 40 µm nach oben.
• Ferner wird die Dicke des Siliziumoxidfilmes durch Abtragen eines Teiles des Siliziumoxidfilmes von der ersten Oberfläche des Siliziumsubstrates 1 weg gemäß der Darstellung in Fig. 24(e) durch Anwenden eines reaktiven Ionenätzverfahrens mit CF&sub4;-Gas eingestellt. Als Ergebnis wird das Verbiegen des Auslegers auf weniger als 5 µm eingeschränkt. Dabei beträgt als Ergebnis der Messung durch Ellipsometrie die Dicke des Siliziumoxidfilmes 200 nm.
• Gemäß der vorangehenden Beschreibung ist es erfindungsgemäß möglich, einen Auslegertastkopf zu erhalten, der gegenüber Verbiegung widerstandsfähig ist.
• Die Fig. 25 veranschaulicht ein Beispiel für ein Verfahren zum Anlegen einer Vorspannung für das Verstellen des in Fig. 23 dargestellten erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes.
• Die Fig. 25 ist eine Ansicht eines Schnittes durch den in Fig. 23 dargestellten Auslegertastkopf in der Richtung der Breite.
• Zum Ansteuern des piezoelektrischen Materials sind Elektroden 52a, 52b, 53a, 53b, 54a und 54b durch Zweiteilung in der Richtung der Breite des Auslegers angeordnet, um die piezoelektrischen Dünnfilme 55 und 55' derart auszudehnen oder zusammenzuziehen, daß die Spitze 57 In der X-Richtung vibrieren kann. Es wird der Absland zwischen dem Tastkopf und dem Objekt eingeregelt, dessen Oberfläche durch den Tunnelstrom abgelesen wird. Die Elektroden 52 bis 54 sind an Steuervorspannungsschaltungen A, B, C und D angeschlossen, in denen die Vorspannungen mittels einer Stellsteuerschaltung 60 gesteuert werden. In Fig. 15 ist der zeitliche Verlauf der Vorspannungen A, B, C und D bei der Abtastbewegung des Tastkopfes über dem Objekt in der X-Richtung dargestellt. Der Abstand zwischen der Spitze 57 und dem Aufzeichnungsträger in Richtung der Z- Achse wird durch eine Vorspannung eingestellt, die sich durch A(t)-B(t) oder D(t)-C(t) ergibt. Die Frequenzen der Vorspannungen A(t), B(t), C(t) und D(t) entsprechen den Frequenzen der Abtastbewegung der Spitze 57 in der X- Richtung.
• Die Phase der Vorspannungen A(t) und C(t) und die Phase der Vorspannungen B(t) und D(t) sind um 180º versetzt. Der Abtastbereich der Tastspitze 57 in der X- Richtung wird durch eine Vorspannung B(t)-D(t) eingestellt. Das Ausmaß der Versetzung des mit dem in Fig. 24 dargestellten Prozeß hergestellten Auslegertastkopfes in der Richtung der Z-Achse kann bei dem Anlegen von ±10 V ±2 um betragen. Daher ist es durch Einstellen der Vorspannungen A(t)-B(t) und D(t)-C(t) auf geeignete Werte unterhalb von 10V möglich, den Abstand zwischen dem Tastkopf und dem Objekt innerhalb eines Bereiches von -2 µm bis +2 um zu verände. Es ist ferner möglich, durch Andern der Vorspannung B(t)-D(t) um einen Absolutwert von 3,0 V mit dem Tastkopf in der X-Richtung innerhalb eines Bereiches von 5 nm abzutasten.
Beispiel 9
• Bei diesem Beispiel wird mit einem erfindungsgemäßen Auslegertastkopf ein Tunnel-Abtastmikroskopgerät (STM) hergestellt. Die Fig. 26 ist eine Blockdarstellung des Gerätes.
• Das Auslesen eines Bildes wird dadurch vorgenommen, daß ein Tastkopf 57 durch einen Ausleger 51 (in Z-Richtung) nahe an ein Objekt 69 herangebracht wird, die Oberfläche des Objektes 69 nach dem vorangehend beschriebenen Verfahren durch einen XY-Tisch 62 in X-Richtung und Y- Richtung abgetastet wird, durch eine Vorspannung- Anlegeschaltung 65 eine Spannung an den Tastkopf 57 und das Objekt 69 angelegt wird und durch eine Tunnelstrom- Detektorschaltung 63 ein beobachteter Tunnelstrom ausgelesen wird. Die Steuerung des Abstandes zwischen dem Tastkopf und dem Objekt und die Antriebssteuerung des XY- Tisches werden durch eine Stellsteuerschaltung 60 herbeigeführt. Die Folgesteuerung dieser Schaltungen erfolgt durch eine Zentraleinheit 64. In Fig. 26 ist ein Abtastmechanismus des XY-Tisches 62 nicht dargestellt, welcher einen Steuermechanismus wie ein piezoelektrisches zylindrisches Stellglied, eine Parallelfeder, ein Differenzmikrometer, eine Schwingspule und eine Stellschraube enthält.
• Die Oberflächenbetrachtung wird mit einem HOPG- Substrat (aus stark orientiertem pyrolitischem Graphit) als Objekt 69 ausgeführt.
• Zwischen den Tastkopf 57 und das Objekt 69 wird durch die Vorspannung-Anlegeschaltung 65 eine Gleichspannung von 200 mV angelegt.
• Die Oberflächenbeobachtung wird durch Abtasten mit dem Tastkopf 57 entlang dem Objekt 69 und Verarbeiten eines durch die Tunnelstrom-Detektorschaltung 63 erfaßten Signals ausgeführt. Wenn die Beobachtung in einem Abtastbereich von 5 nm x 5 nm ausgeführt wird, kann ein gutes atomares Bild erzielt werden.
Beispiel 10
• Bei diesem Beispiel wird ein erfindungsgemäßer Auslegertastkopf beschrieben.
• Fig. 27A und 27B veranschaulichen ein Verfahren zum Bilden einer elektrisch nicht leitenden Schicht des Auslegertastkopfes. Nachdem ein Ausleger auf die gleiche Weise wie gemäß Fig. 24 mit der Ausnahme gebildet ist, daß ein Prozeß weggelassen ist, bei dem die elektrisch nicht leitende Schicht 58 aufgebracht wird, wird der Auslegertastkopf dadurch fertiggestellt, daß über dem Ausleger eine Blendenöffnung 66 angebracht wird, nach einem Zerstäubungsverfahren ein Siliziumoxidfilm 58 gebildet wird, die Blendenöffnung entfernt wird und an dem Ausleger die Spitze 57 angebracht wird. Nach Erfordernis wird die Dicke des Siliziumoxidfilmes unter Beobachtung der Verbiegung des Auslegers eingestellt.
• Das Ausmaß der Verbiegung des auf diese Weise erhaltenen Auslegertastkopfes beträgt 1,5 µm, was dem Ausmaß bei dem in Fig. 24 dargestellten Auslegertastkopf gleichartig ist. Dabei beträgt die Dicke des Siliziumoxidfilmes 180 nm.
• Falls zum Verbessern der Geschwindigkeit des Einschreibens oder Auslesens von Informationen eine Vielzahl von Tastköpfen verwendet wird, ist es erforderlich, die jeweiligen Tastköpfe in einem derart ausreichenden Ausmaß nahe an den Aufzeichnungsträger heranzubringen, daß der Tunnelstrom auftritt. Das Verbiegungsausmaß der Auslegerspitze muß innerhalb des maximalen Bewegungsbereiches der Spitze 57 in der Z- Richtung gehalten werden. Es wird ein Mehrfachtastkopf mit einer Vielzahl von Tastköpfen für das Erfassen von Tunnelstrom gemäß der Darstellung in Fig. 21 hergestellt.
• Infolgedessen ist es möglich, ein Verstellungsausmaß von ±2 µm des Auslegertastkopfes bei dem Anlegen von ±10 V zu erzielen, um das Verbiegungsausmaß innerhalb des maximalen Bewegungsbereiches des Tastkopfes zu halten und alle Tastköpfe nahe an den Aufzeichnungsträger heranzubringen.
• In Fig. 30 ist ein Informationsverarbeitungsgerät dargestellt. In Fig. 30 ist ein Substrat 607 ein Aufzeichnungsträger, an dem eine Metall-Elektrodenschicht 608 angeordnet ist, auf die eine Aufzeichnungsschicht 609 aufgebracht ist. Es sind ein XY-Tisch 501, ein Mehrfachtastkopf 502, ein Träger 503 für Ausleger und eine Linear-Stellvorrichtung 504 für das Verstellen des Mehrfachtastkopfes in der Z-Richtung vorgesehen. Von Linear-Stellvorrichtungen 505 und 506 wird der XY-Tisch in der X- und der Y-Richtung verstellt und eine Vorspannungsschaltung 507 führt Spannungen für das Aufzeichnen und Reproduzieren zu. Es wird eine Tischtreiberschaltung 508 verwendet. Von einem Tunnelstromdetektor 601 kann zum Aufzeichnen und Reproduzieren ein Strom erfaßt werden, der von dem Tastkopf über die Aufzeichnungsschicht 609 zu der Elektrodenschicht 608 fließt. Eine Servoschaltung 602 bewegt den Mehrfachtastkopf in Richtung der Z-Achse und eine Servoschaltung 603 steuert die Stellvorrichtung 504.
• Eine Treiberschaltung 604 bewegt eine Vielzahl von Auslegern in Richtung der Z-Achse und eine Treiberschaltung 605 steuert die Lage gegenüber dem XY-Tisch. Ein Computer 606 steuert die gesamte Funktion.
• Es ist möglich, mit diesem System eine große Menge an Informationen in einer hohen Aufzeichnungsdichte aufzuzeichnen und durch das Integrieren einer Vielzahl von Tastköpfen die Geschwindigkeit der Aufzeichnung und der Wiedergabe zu erhöhen.
• Ein derartiger Mehrfachtastkopf ist als Aufzeichnungs/Wiedergabekopf eines Informationsverarbeitungsgerätes geeignet, in dem ein Aufzeichnungsträger mit einem Metall, einem Halbleiter oder einem Oxid verwendet wird. Der Aufzeichnungsträger kann auch (i) ein organischer Dünnfilm, der eine durch einen Tunnelstrom verursachte unebene Form annehmen kann, oder (ii) ein organischer Dünnfilm mit elektrischem Speichereffekt sein, bei dem die elektrischen Eigenschaften des organischen Dünnfilms durch einen Tunnelstrom geändert werden, wie es in der JP-OS 63-161552 beschrieben ist.
• Wie es aus dem Beispiel 8 ersichtlich ist, kann der erfindungsgemäße Auslegertastkopf eine Verstellung in Z- Richtung und in X-Richtung hervorrufen. Dadurch, daß für jeden der Tastköpfe eine Stellsteuerschaitung 60 nach Fig. 25 vorgesehen wird, kann für jeden Tastkopf eine unabhängige Nachführsteuerung ausgeführt werden, bei der bei dem Aufzeichnen oder Reproduzieren eine feine Bewegung entlang der Informationslinie ausgeführt wird.
• Bei dem vorangehend beschriebenen Beispiel wird als Material für die piezoelektrischen Dünnfilme 55 und 55' AlN verwendet. Das Material ist jedoch nicht hierauf eingeschränkt. Es kann auch ein Material mit piezoelektrischem effekt wie ZnO, TiBaO, PbZrTiO, PbTiO oder Ta&sub2;O&sub5; verwendet werden.
• Als elektrisch nicht leitender Dünnfilm wird bei dem vorangehenden Beispiel ein Siliziumoxidfilm verwendet. Das Material ist jedoch nicht auf das Siliziumoxid eingeschränkt. Es können auch elektrisch nicht leitende Materialien, z.B. Oxide wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Titanoxid, Nitride wie Titannitrid, Bornitrid oder Siliziumnitrid, Carbide wie SiC, TiC oder C, Boride wie ArB&sub2; oder HfB&sub2;, Fluoride oder Suifide verwendet werden.
• Die Dicke des elektrisch nicht leitenden Dünnfilmes beträgt vorzugsweise einige nm bis zu der Dicke des Auslegers.
Beispiel 11
• Die Fig. 28 ist eine Querschnittsansicht eines Auslegertastkopfes. Gemäß Fig. 28 bilden ein Siliziumsubstrat 1, eine obere Elektrode 52, eine Zwischenelektrode 53, eine untere Elektrode 54, piezoelektrische Dünnfilme 55 und 55', eine Spitze 57 für die Eingabe und Ausgabe von Informationen und ein Laserstrahl 401 den Auslegertastkopf. Im einzelnen sind der piezoelektrische Dünnfilm, die Elektrode und die Auslegerabmessungen die folgenden:
• piezoelektrischer Dünnfilm 0,3 µm dickes ZnO
• Elektrode: 0,1 µm dickes Au
• Länge des Auslegers: 300 µm
• Breite des Auslegers 150 µm
• Der piezoelektrische Dünnfilm wird nach einem reaktiven Zerstäubungsverfahren mit gesintertem ZnO als Target in einer Atmosphäre aus einem Gasgemisch aus Argon und Sauerstoff bei einer Substrattemperatur von 200ºC und einem Gasdruck von 10 mTorr gebildet.
• Die Elektrode wird nach einem Vakuumaufdampfverfahren gebildet. Nach diesem Verfahren werden an dem Substrat 30 Auslegertastköpfe 30 ausgebildet. Die auf diese Weise erhaltenen Ausleger können durch das Anlegen einer geeigneten Spannung von weniger als 5 V im Bereich von -2 µm bis +2 µm verstellt werden. Die Spitzenbereiche der Ausleger verbiegen sich um einen Mittelwert von 20 µm zu der ersten Oberfläche eines Siliziumsubstrates hin. Auf jeden Ausleger wird von der oberen Fläche her ein CO&sub2;- Laserstrahl (mit der Wellenlänge 10,6 µm) mit einer Abtastgeschwindigkeit von 1 bis 10 cm/s und einer Leistungsdichte von 1 x 10&sup5; W/cm² in der Atmosphäre oder in Sauerstoff aufgestrahlt. Die Bestrahlung wird fortgesetzt, bis das Ausmaß der Verbiegungen der Spitzenabschnitte der Ausleger kleiner als 1 µm zu der ersten Oberfläche des Siliziumsubstrates hin wird.
• Gemäß der vorangehenden Beschreibung ist es erfindungsgemäß möglich, einen Auslegertastkopf mit einem geringen Verbiegungsausmaß zu erhalten und eine geringe Abweichung hinsichtlich des jeweiligen Verbiegungsausmaßes dieser Ausleger zu erzielen.
Beispiel 12
• Die Fig. 29 ist eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Auslegertastkopfes. Bei einem bestimmten Beispiel sind ein piezoelektrischer Dünnfilm, eine Elektrode und ein Ausleger folgendermaßen gebildet:
• piezoelektrischer Dünnfilm: 0,3 µm dickes ZnO
• Elektrode: 0,1 µm dickes Au
• Länge des Auslegers: 300 µm
• Breite des Auslegers 150 µm
• Der Ausleger wird auf die gleiche Weise wie bei dem Beispiel 11 mit der Ausnahme gebildet, daß auf beiden Oberflächen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode des Auslegers eine 20 nm dicke Schwarzgoldschicht ausgebildet wird. Das Verfahren zum Bilden einer Schwarzgoldschicht ist das gleiche wie dasjenige zum Bilden einer Au-Schicht mit der Ausnahme, daß N&sub2; mit einigen mTorr eingeleitet wird. Das Schwarzgold wird zum Steigern des Absorptionswirkungsgrades für die Laserstrahlen aufgebracht.
• Die auf diese Weise erhaltenen Ausleger können durch Anlegen einer geeigneten Spannung unterhalb von 5 V von -2 µm bis zu +2 µm verstellt werden. Die Spitzenabschnitte der Ausleger sind im Mittel um 20 µm zu der ersten Oberfläche des Siliziumsubstrates hin nach oben gebogen.
• Auf beide Oberflächen des Auslegers werden CO&sub2;- Laserstrahlen mit einer Abtastgeschwindigkeit von 1 bis 50 cm/s und einer Leistungsdichte von 1 x 10&sup5; W/cm² in der Atmosphäre oder in Sauerstoff aufgestrahlt. Die Bestrahlung wird fortgesetzt, bis das Ausmaß der Verbiegung der Spitzenabschnitte der Ausleger zu weniger als 1 µm zu der ersten Oberfläche des Siliziumsubstrates hin wird.
• Gemäß der vorangehenden Beschreibung ist es erfindungsgemäß möglich, einen Auslegertastkopf mit einem geringen Verbiegungsausmaß zu erhalten.
• Gemäß der vorangehenden Beschreibung ist es erfindungsgemäß möglich, die Verbiegung eines Auslegers auszuschalten, die während eines Prozesses auftritt, bei dem eine Vielzahl von Auslegertastköpfen derart nahe an ein Objekt herangebracht wird, daß Tunnelstrom erfaßt werden kann, und ein erfindungsgemäßer Auslegertastkopf als Aufzeichnungs/Wiedergabekopf verwendet wird.
• Es ist ferner möglich, das Verbiegen eines Auslegers ohne Veränderung irgendwelcher elektrischer und mechanischer Eigenschaften eines piezoelektrischen Dünnfilmes auszuschalten.
• Weiterhin ist es möglich, das Verbiegen eines Auslegers selbst nach der Spitzenmontage eines Ausiegertastkopfes oder dessen Einbau an einem Objekttisch auszuschalten.
• Ein typisches Tunnel-Abtastmikroskopgerät, in dem eine Aufzeichnungsschicht mit elektrischer Speicherfähigkeit verwendet ist, ist in der am 22. Dezember 1987 eingereichten Patentanmeldung Seriennummer 07/136728 offenbart.
• Diese Erfindung ist außer auf die Ausführungen in den nachstehenden Patentansprüchen nicht eingeschränkt.

Claims (5)

1. Auslegertastkopf, der

ein piezoelektrisches Material (4),

mehrere Ansteuerungselektroden (3) zum Bewirken einer Versetzung des piezoelektrischen Materials (4), wobei das piezoelektrische Material (4) zwischen die Ansteuerungselektroden (3) geschichtet ist, um eine Schichtenstruktur (3,4,3) zu bilden,

eine an der Schichtenstruktur (3,4,3) angebrachte Spitze (6) für die Eingabe und Ausgabe von Informationen und eine mit der Spitze (4) verbundene Zeichenelektrode (3) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Auslegertastkopf ferner

einen nicht leitenden Dünnfilm (2,5) aufweist, der die Schichtenstruktur (3,4,3) vollständig überdeckt.

2. Informationsverarbeitungsgerät mit einem Auslegertastkopf nach Anspruch 1, wobei das Gerät zum Reproduzieren von Informationen an einem Aufzeichnungsträger (103) mittels des Auslegertastkopfes gestaltet ist.

3. Informationsverarbeitungsgerät mit einem Auslegertastkopf nach Anspruch 1, wobei das Gerät zum Aufzeichnen von Informationen auf einen Aufzeichnungsträger (103) mittels des Auslegertastkopfes gestaltet ist.

4. Informationsverarbeitungsgerät mit einem Auslegertastkopf nach Anspruch 1, wobei das Gerät zum Beobachten einer Dokumentationsfläche gestaltet ist.

5. Informationsverarbeitungsgerät mit einem Auslegertastkopf nach Anspruch 1, wobei das Gerät zum Aufzeichnen von Informationen auf einen Aufzeichnungsträger (103) und zum Reproduzieren von auf dem Aufzeichnungsträger (103) aufgezeichneten Informationen gestaltet ist.