JPH04252904A - 探針移動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、探針と試料を接近させ
た際に観測される物理現象を利用する装置において、探
針と試料との接近に好適に用いられる探針移動装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、探針と試料とを接近させ、その際
に観測されるトンネル現象等の物理現象を利用して物質
表面及び表面近傍の電子構造を直接観察する走査型トン
ネル顕微鏡（以下ＳＴＭと云う）が開発され［Ｇ．Ｂｉ
ｎｎｉｎｇ　ｅｔ　ａｌ．，Ｈｅｌｖｅｔｉｃａ　Ｐｈ
ｙｓｉｃａ　Ａｃｔａ，５５，７２６（１９８２）］、
単結晶、非晶質を問わず実空間像を高い分解能で測定で
きるようになっている。また、ＳＴＭは媒体に対して電
流による損傷を与えずに低電力で観測できる利点をも有
し、更には超高真空中のみならず大気中、溶液中でも動
作し種々の材料に対して用いることができ、学術的或い
は研究分野での広範囲な応用が期待されている。また、
産業分野においても例えば特開昭６３−１６１５５２号
公報、同１６１５５３号公報にも開示されているように
、原子或いは分子サイズの空間分解能を有する原理に着
目し、記録再生装置への応用、実用化が精力的に進めら
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
ＳＴＭ又は記録再生装置は、探針を試料表面と平行に走
査しながらトンネル電流等を測定することによって、試
料表面の物理量分布を知ることが目的であるが、この目
的が達せられるためには、試料と探針間にトンネル電流
が流れる程度に、試料と探針が充分に接近していること
が必要である。しかしながら、試料表面に比較的大きな
凹凸がある場合に、例えば探針の接近位置が試料の凹部
分であるときには、接近時に探針と試料の衝突を生じな
くとも、走査を始めることで衝突や接触が起こる虞れが
ある。その結果、試料の損傷ばかりでなく、探針の先端
が潰れて曲率半径が増大し空間分解能の低下を惹き起こ
すことが問題となっている。

【０００４】また、記録再生装置等の応用装置の場合に
も、記録面の凹部を避けて探針接近を行うことが必要で
ある。

【０００５】本発明の目的は、上述の問題点を解決し、
ＳＴＭのみならずその応用装置、例えば情報を記録・再
生・消去又はこれらの２つ以上の組合わせから成る情報
処理装置に用いて好適な探針移動装置を提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明に係る探針移動装置においては、ものであ
る。

【０００７】

【作用】上述の構成を有する探針移動装置は、探針の試
料への接近が掃引範囲内にある試料面の最も高い凸部で
最初に確認される。

【０００８】

【実施例】本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明
する。

【０００９】図１はブロック回路構成図であり、トンネ
ル電流を観測しながら試料Ｓに探針１を接近させる場合
を示している。試料Ｓには例えば図２に示すようにシリ
コン基板上に幅１μｍ、深さ０．１μｍの直線溝Ｓｃが
２μｍの間隔を設けて蝕刻されているものとする。探針
１は例えば圧電アクチュエータを用いた微動部２に設け
られており、更にこの微動部２は例えばステッピングモ
ータ等を用いて広範囲を移動可能とされた粗動部３に取
り付けられている。また、試料Ｓと探針１との間にはバ
イアス回路４により弱いバイアス電圧が印加され、両者
間を流れるトンネル電流がトンネル電流検出部５で測定
される。なお、微動部２は掃引駆動回路６により直線溝
Ｓｃと直交する方向で、例えば幅２μｍの範囲内を試料
Ｓに沿って掃引するようにされている。更に、微動部２
は接近駆動回路７により積層圧電体等によって、例えば
最大０．２μｍ程度の範囲内で試料Ｓに向けて微動でき
、一方で粗動部３は例えば１０ｍｍ程度の可動範囲内を
０．１μｍステップで試料Ｓに向けて粗動できるように
構成されており、掃引駆動回路６と接近駆動回路７の動
作はシーケンス制御回路８によって制御され、トンネル
電流検出部５によってトンネル電流が観測されるまで、
次に説明するような動作により探針１が試料Ｓに衝突す
ることなく接近する。

【００１０】即ち、先ず探針１を試料Ｓから離しておき
、掃引駆動回路６により微動部２の掃引を開始する。 次いで、図３に示すように掃引を継続したまま微動部２
を試料Ｓに向けて最大距離まで伸ばしながらトンネル電
流が流れるか否かを確かめる（ａ）　。トンネル現象が
現れず、トンネル電流が観測されない場合には微動部２
を直ちに収縮し、粗動部３を１ステップだけ前進させる
（ｂ）。粗動部３の１ステップは０．１μｍであるから
、前回の微動部２の微動部２の伸び０．２μｍによって
調べた範囲内に探針１は存在する。つまり、粗動によっ
て探針１が前回の微動の時よりも試料Ｓに接近すること
はなく、この粗動時にトンネル電流が流れ始めることは
ない。続いて、掃引を継続したまま、再び微動部２を最
大まで伸長させる過程でトンネル電流が流れるか否かど
うかを調べる。トンネル現象が現れずトンネル電流が観
測されないならば、微動部を収縮して粗動により更に１
ステップだけ探針１を試料Ｓに近付ける（ｃ）　。以下
、上述の操作を繰り返し、トンネル電流が観測された時
点（ｄ）　で接近工程が完了し、掃引を停止しシーケン
ス制御は終了となる。

【００１１】このような方法によれば、トンネル電流は
必ず試料Ｓの凸部において最初に観測され、溝部Ｓｃ等
の凹部に探針１が入り込んでしまうことはなく、走査を
開始するに当って探針１と試料Ｓとの衝突は回避できる
。 また、凹部を避けるだけでなく、試料Ｓに異常な凸部な
どがある場合には、接近時に発見できるためその部分を
避けて掃引し、正常部のみに接近させることもできる。

【００１２】次に、本発明者らが実際にＳＴＭに対して
用いた実施例について説明する。ＳＴＭは図１に示すよ
うな構成から成っている。バイアス回路４によって試料
Ｓと探針１との間に印加された一定電圧によって流れる
トンネル電流が一定となるように探針１をフィードバッ
ク制御によって試料面と垂直方向に上下させる。そして
、掃引駆動回路６を用いて探針１を試料面に平行に掃引
し、その時の探針１の上下動を信号として読み出し、画
像として出力するシステムがＳＴＭである。その場合も
、試料Ｓと探針１との初めの接近時に両者の衝突が生じ
、試料Ｓ又は探針１に損傷を起こすことが多い。そこで
、本発明を用いて、探針１を試料Ｓから離し、再び接近
させ観察するという一連の実験を繰り返し行った。その
結果、掃引時の衝突による試料Ｓの損傷が引き起こすト
ンネル電流の乱れなどがなくなり、空間分解能の高い像
を再現性良く観察することができ、衝突や接触の確率が
減少したことが確認された。

【００１３】更に、本発明者らが本発明を情報処理装置
に対して用いた場合の実施例について説明する。先ず、
情報処理装置の基本的な動作を述べると、図１の構成を
用いて試料Ｓの代りに記録媒体を用い、先に述べたＳＴ
Ｍ動作に加え、バイアス回路４によって或る特定の電圧
信号をバイアス電圧に重畳することにより、そのときの
探針１の位置に対応する記録媒体面上に電気的な変化を
生じさせ、情報を書き込む。また、読み出しはＳＴＭ動
作によって得られる電流信号や探針１の上下動信号によ
って行い、消去はその同じ位置に所定の電圧信号を加え
ることによって記録媒体面上の電気的な状態変化を元に
戻すことによって行う。

【００１４】具体的な実施例については、特開昭６３−
１６１５５２号公報及び同１６１５５３号公報に開示さ
れているように、金（Ａｕ）電極上に積層されたポリイ
ミドＬＢ膜（２層膜）から成る記録媒体を図１の試料Ｓ
の代りに配置し、記録・再生及び消去を行った。このよ
うな装置において、ＸＹ方向に探針１をトンネル電流が
一定になるように走査しながら、バイアス回路４により
バイアス電圧に波高値−６Ｖ及び＋１．５Ｖの連続した
パルス波を重畳した電圧を記録媒体・探針１間に印加す
ることで電気的な情報の書き込みを行い、更に再びその
記録された面を探針１によって走査し、トンネル電流検
出回路５によって得られるトンネル電流の変化を用いた
ＳＴＭ像から記録情報の読み出しを行った。その結果、
上記の操作を繰り返し行っても記録情報と再生情報が再
現性良く一致することを確認できた。このことから、上
記の操作を繰り返し行う際にも、記録媒体を破壊するこ
となく探針１を記録面に接近させることができたことが
判かる。また、走査の途中で記録媒体上の記録を行った
領域に探針１が接近した時点でバイアス回路４によって
、記録媒体と探針１との間に波高値３Ｖのパルス電圧を
バイアス電圧に重畳する操作を行ったところ、再生され
るＳＴＭ像から記録された情報が消去されたことを確認
した。この際にも、本発明の接近機構によって探針１と
記録媒体との衝突を効果的に防止できたことは勿論であ
る。

【００１５】なお、本発明に係る方法は、試料面と平行
に探針を走査しながら接近機構を動作させることのでき
る装置であれば適用でき、試料の形状、掃引及び接近の
機構や構造に限定されるものではない。

【００１６】また、本実施例では物理情報としてトンネ
ル電流を測定するＳＴＭ、情報処理装置について述べた
が、それ以外に原子間力、容量、磁束や磁力等を観測す
る測定装置等においても同様に適用できる。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る探針移
動装置は、試料の凹部に探針が入り込むことがないので
探針を試料に衝突させることなく、探針先端の形状を鋭
く保ったままで測定し、より空間分解能の高い観測が可
能となる。また、探針が損傷を受けないので探針の交換
を必要とせず、ＳＴＭや情報記録装置においてシステム
の簡便化、小型化が図れる利点がある。更には、試料の
凹凸のある部分を避けて、平坦な部分に探針を選択的に
接近させることも可能であり、情報記録や再生などにお
いて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ブロック回路構成図である。

【図２】試料表面の断面図である。

【図３】動作説明のタイムチャート図である。

【符号の説明】

１　　探針 ２　　微動部 ３　　粗動部 ４　　バイアス回路 ５　　トンネル電流検出回路 ６　　掃引駆動回路 ７　　接近駆動回路 ８　　シーケンス制御回路 Ｓ　　試料

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　探針を試料面と平行に掃引する掃引手
   段と、前記探針と試料との相対間隔を変化させる変化手
   段と、前記探針と試料との距離に対応する物理現象を検
   出する検出手段と、前記掃引手段によって掃引を行いな
   がら前記変化手段により前記探針と試料とを前記検出手
   段によって検出が可能になるまで接近させる制御手段と
   を備えたことを特徴とする探針移動装置。