Gebiet der Erfindung und benachbarter Stand der Technik:
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Codiereinrichtung, wie
sie bei der Erfassung von Positionsinformationen bei einer
Feinpositionierung, Raumabmessung, Abstandsirtessung,
Geschwindigkeitsmessung und dergleichen verwendet wird.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine
Codiereinrichtung, wie sie in einer Meßsteuerung verwendet
werden kann, deren Auflösung in der Größenordnung von Atomen
(einige Angström) liegt.
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Normalerweise besitzen derartige Codiereinrichtungen eine
Bezugsskala, die einer Position oder einem Winkel
entsprechende Informationen anzeigt, und eine relativ zur
Bezugsskala bewegliche Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der
der Position oder dem Winkel entsprechenden Informationen.
Hinsichtlich der verwendeten Bezugsskala und
Erfassungsvorrichtung wird die Codiereinrichtung in verschiedene Typen
eingeteilt, beispielsweise in optische Codiereinrichtungen,
magnetische Codi ereinrichtungen, Codiereinrichtungen vom
elektrostatischen Kapazitätstyp usw..
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Von diesen Codiereinrichtungen weisen die optischen
Codiereinrichtungen die höchste Auflösung auf, die
beispielsweise das Prinzip der Gitterinterferenz verwenden.
Die Fig. 1 zeigt den Aufbau einer bekannten optischen
Codiereinrichtung. In diesem Beispiel gibt eine Lichtquelle
3001 ein monochromatisches Licht 3002 ab, welches auf ein als
eine Bezugsskala funktionierendes Brechungsgitter 3003
gerichtet ist. Von dem durch das Gitter gebrochene Licht
werden positive und negative Lichtkomponenten 3004 und 3005
des ersten Brechungsgrades uber Reflexionsspiegel 3006 auf
einen halbdurchlässigen Spiegel 3007 gerichtet. Mittels
diesem halbdurchlässigen Spiegel 3007 werden die Komponenten
des gebrochenen Lichts miteinander kombiniert, wodurch
Interferenz auftritt. Die dadurch erzeugten
Interferenzstreifen werden erfaßt und photoelektrisch durch
den Photowandler 3008 umgewandelt. Auf diese Weise kann eine
relative Versetzung zwischen dem optischen System und der
Bezugsskala auf der Basis der Interferenzstreifen erfaßt
werden.
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Bei den optischen Godiereinrichtungen vom
Gitterinterferenztyp, welche im Vergleich zu den anderen vorherstehend
beschriebenen Codiereinrichtungen die höchste Auflösung
besitzen, wird die Genauigkeit (Auflösung) hauptsächlich
durch den Gitterabstand bestimmt. Die Herstellung des Gitters
mit einen möglichst feinen Abstand und die präzise Erfassung
sind daher wichtige Faktoren. Die derzeitigen
Fein-Bearbeitungstechniken (beispielsweise Mustererzeugung durch
Elektronenstrahl oder Ionenstrahl) gewährleisten maximal ein
Präzision von 0,01 Mikrometer (100Å). Auch beim Erfassen
(beispielsweise dem optischen Heterodyn-Verfahren) ist die
Auflösung auf 0,01 Mikrometer begrenzt. Es ist daher
schwierig eine Codiereinrichtung mit noch höherer Auflösung
herzustellen und insbesondere in einen Herstellungsgerät für
Halbleiter-Mikro-schaltungen zu verwenden. Ein dem
Anmeldungsgegenstand ähnliches Gerät ist aus der EP-A-0 247
219 bekannt, welche jedoch nicht vorveröffentlicht ist.
Zusammenfassung der Erfindung:
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Codiereinrichtung zu schaffen, die eine Auflösung in der
Größenordnung eines zwischenatomaren Abstandes besitzt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
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Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Anordnung einer
bekannten optischen Codiereinrichtung, welche das Prinzip der
Gitterinterferenz verwendet.
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Fig. 2 ist eine schematische Ansicht und ein
Blocksehaltbild, das die Anordnung einer Codiereinrichtung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, wobei eine
Tunnelstromerfassung verwendet wird.
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Fig. 3 zeigt die an verschiedenen Teilabschnitten der
Codiereinrichtung gemäß Fig. 2 erhaltenen Kurvensignale.
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Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Beispiels, wobei
eine periodische Atom- oder Molekülanordnung an der
Oberfläche eines elektrisch leitenden Materials als
Bezugsskala verwendet wird.
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Fig. 5A zeigt einen schematischen Abschnitt eines Beispiels,
wobei auf der Oberfläche eines elektrisch leitenden Materials
mittels Ionenstrahl- oder Elektronenstrahl-Behandlung
erzeugte Abstufungen als Bezugsskala verwendet werden.
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Fig. 5B zeigt einen schematischen Abschnitt, wobei die
Oberfläche, welche die Form eines Brechungsgitter aufweist
und mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet ist,
als Bezugsskala verwendet wird.
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Fig. 6 zeigt einen schematischen Abschnitt eines Beispiels
einer Verbundskala, wobei ein Bezugsursprung auf einer
Bezugsskala vorgesehen ist.
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Fig. 7A bis 7C zeigen schematische Abschnitte von Beispielen
einer Verbundskala in die jeweils eine Vielzahl von Bezugs-
Ursprüngen innerhalb einer Bezugsskala vorgesehen sind.
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Fig. 8 zeigt einen schematischen Abschnitt eines Beispiels,
wobei eine Verbundskala verwendet wird, die eine Vielzahl von
Bezugsursprüngen mit vorerfaßten Breiten und Abständen auf
einer Bezugsskala vorgesehen sind.
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Fig. 9A und 9B zeigen einen schematischen Abschnitt und eine
perspektivische Ansicht von Beispielen in denen jeweils eine
Verbundskala verwendet wird, wobei die Information für die
absolute Position auf oder in der Nähe eines auf der
Bezugsskala vorgesehenen Bezugsursprungs aufgezeichnet wird.
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Fig. 10 zeigt einen schematischen Abschnitt eines Beispiels,
wobei nicht periodische Abstufungen als eine Bezugsskala
verwendet werden.
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Fig. 11 zeigt eine schematische Ansicht und ein
Blockschaltbild der Anordnung einer Codiereinrichtung, wobei
eine asymmetrisch geformte Bezugsskala als Bezugsskala
verwendet wird.
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Fig. 12 zeigt die gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 11
erhaltenen Kurvensignale.
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Fig. 13A und 13B zeigen die Ansichten einer Ebene (1, 1, 1)
eines kubisch flächenzentrierten Gitters, welches ein
besonderes Beispiel für eine asymmetrische Bezugsskala
darstellt, wobei die Fig. 13A eine Draufsicht und die Fig.
13B eine Schnittansicht darstellt.
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Fig. 14 zeigt einen schematischen Abschnitt eines
Ausführungsbeispiels, wobei eine Sonde zum Erfassen der
Richtung lateral schwingt.
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Fig. 15 zeigt die gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 14
erhaltenen Kurvensignale,
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Fig. 16 zeigt einen schematischen Abschnitt eines
Ausführungsbeispiels, wobei eine Sonde zum Erfassen der
Richtung lateral schwingt.
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Fig. 17 zeigt die gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 16
erhaltenen Kurvensignale.
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Fig. 18 zeigt eine schematische Ansicht und ein
Blockschaltbild der Anordnung eines Ausführungsbeispiels,
wobei eine Vielzahl von Sonden zum Erfassen der Richtung
verwendet werden.
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Fig. 19 zeigt die gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 18
erhaltenen Kurvensignale.
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Fig. 20 ist eine schematische Ansicht und ein Blockschaltbild
der Anordnung einer Codiereinrichtung, in der die vertikale
Position einer Sonde erfaßt wird.
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Fig. 21 zeigt ein Flußdiagramm, welches die
aufeinanderfolgenden Arbeitsschritte zum Erfassen der lateralen
relativen Versetzung auf der Grundlage der erfaßten
vertikalen Sonden-position unter der Bedingung eines
konstanten Tunnelstroms darstellt.
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Fig. 22 zeigt die an den verschiedenen Teilabschnitten gemäß
dem Ausführungsbeispiel von Fig. 20 erhaltenen Kurvensignale.
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Fig. 23 zeigt eine schematische Ansicht eines Beispiels gemäß
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 20, wobei jedoch in diesem
Beispiel eine asymmetrisch geformte Skala als Bezugsskala
verwendet wird.
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Fig. 24 zeigt die gemäß dem Beispiel von Fig. 23 erhaltenen
Kurvensignale.
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Fig. 25 zeigt einen schematischen Abschnitt eines Beispiels
gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 20, wobei jedoch in
diesem Beispiel eine Sonde zum Erfassen der Richtung lateral
schwingt.
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Fig. 26 zeigt die gemäß dem Beispiel von Fig. 25 erhaltenen
Kurvensignale.
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Fig. 27 zeigt einen schematischen Abschnitt eines Beispiels
gemäß einen Ausführungsbeispiel von Fig. 20, wobei eine Sonde
zum Erfassen der Richtung lateral schwingt.
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Fig. 28 zeigt die gemäß dem Ausführungsbeispiel von-Fig. 27
erhaltenen Kurvensignale.
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Fig. 29 zeigt eine schematische Ansicht und ein
Blockschaltbild der Anordnung eines Ausführungsbeispiels,
wobei eine Vielzahl von Sonden zum Erfassen der Richtung
verwendet werden.
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Fig. 30 zeigt die gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 29
erhaltenen Kurvensignale.
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Fig. 31 zeigt eine schematische Ansicht und ein
Blockschaltbild einer Codiereinrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Tunnelstrom
erfaßt wird.
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Fig. 32 und 33 zeigen Kurvensignale, welche man an
verschiedenen Teilabschnitten des Ausführungsbeispiels gemäß
Fig. 31 erhält.
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Fig. 34 zeigt eine schematische Ansicht und ein
Blockschaltbild einer Codiereinrichtung gemäß einen weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Fig. 35 und 36 zeigen Kurvensignale, welche man an
verschiedenen Teilabschnitten des Ausführungsbeispiels gemäß
Fig. 34 erhält.
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Fig. 37 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch
eine Codiereinrichtung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
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Fig. 38 zeigt eine Ansicht mit einer Steuervorrichtung der
Codiereinrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 37.
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Fig. 39 erklärt mittels einer schematischen Ansicht das
erfindungsgemäße Prinzip eines Abtast-Tunnelmikroskops.
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Fig. 40 zeigt in einem Zeitdiagramm die Zusammenhänge
zwischen den in dem Gerät nach Fig. 37 erhaltenen
Kurvensignalen.
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Fig. 41 zeigt ein Schaltbild eines in den Gerät nach Fig. 37
verwendeten Impulszählers.
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Fig. 42 zeigt einen schematischen Abschnitt einer in dem
Gerät nach Fig. 37 verwendeten Codierplatte.
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Fig. 43 zeigt in einer Seitenansicht einen größeren Abschnitt
einer Codiereinrichtung gemäß einen weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Fig. 44 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen
größeren Abschnitt einer Godiereinrichtung eines weiteren
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Die Fig. 45A und 45B zeigen in einer Schnittansicht und einer
Draufsicht eine Codiereinrichtung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Fig. 46 zeigt in einem Schaltbild die in der
Codiereinrichtung des Ausführungsbeispiels gemäß der Fig. 45A
und 45B verwendete Steuervorrichtung.
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Fig. 47 zeigt in einem Zeitdiagramm die Zusammenhänge
zwischen den in dem Gerät des Ausführungsbeispiels gemäß den
Fig. 45A und 45B erhaltenen Kurvensignalen.
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Fig. 48 ist ein Flußdiagramm, das die Aufeinanderfolge beim
Messen im Gerät des Ausführungsbeispiels gemäß den Fig. 45A
und 45B zeigt.
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Fig. 49 zeigt einen schematischen Abschnitt einer
Codiereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Fig. 50 ist eine prinzipielle Ansicht, die den Zusammenhang
zwischen einer Koordinatenachse und den Aufnabmepositionen in
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
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Fig. 51 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines
Aufzeichnungs- und Wiedergabegeräts, welches gemäß dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 50 angeordnet ist.
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Fig. 52A zeigt eine Draufsicht eines Beispiels eines gemäß
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 50 verwendeten
Aufzeichnungsnediums.
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Fig. 52B zeigt eine entlang der Linie A-A' in Fig. 52A
genommene Schnittansicht.
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Fig. 53 zeigt eine schematische Ansicht eines Beispiels des
lagemäßigen Zusammenhangs zwischen einer Koordinatenachse und
den Aufzeichnungspositionen auf der Oberfläche eines im
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 50 verwendeten
Aufzeichnungsmediums.
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Fig. 54 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines
Aufnahme- und Wiedergabegerätes gemäß einem weiteren
Ausführugsbeispiel der Erfindung.
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Fig. 55A zeigt eine Draufsicht eines in dem Gerät nach Fig.
54 verwendeten Aufzeichnugnsmediums.
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Fig. 55B ist eine entlang einer Linie A-A' in Fig. 55B
genommene Schittansicht.
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Fig. 56 zeigt eine schematische Ansicht der
Aufnahmepositionen auf dem Aufnahmemedium gemäß dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 55.
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Fig. 57A zeigt eine Draufsicht eines weiteren
Aufzeichnungsmediums, welches in dem Gerät nach Fig. 54 verwendet werden
kann.
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Fig. 57B zeigt eine entlang einer Linie A-A' in Fig. 57A
genoinmene Schnittansicht.
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Fig. 58 zeigt eine schematische Ansicht der lagemäßigen
Beziehung zwischen Aufzeichnungsbereichen an der Oberfläche
des Aufzeichnungsmediums gemäß dem Ausführungsbeispiel nach
Fig. 57.
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Fig. 59 zeigt eine schematische Ansicht und ein
Blockschaltbild eines Aufnahme- und Wiedergabegerätes gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Fig. 60 ist ein Blockschaltbild eines in dem
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 59 verwendeten Steuersystems.
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Fig. 61 ist ein Flußdiagramm, welches den Algorithmus zeigt
der im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 59 enthaltenen
Zentralverarbeitungseinheit abgearbeitet wird.
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Fig. 62 zeigt eine prinzipielle schematische Ansicht eines
Aufnahme- und Wiedergabegerätes gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Fig. 63 zeigt eine schematische Ansicht und ein
Blockschaltbild eines Aufnahme- und Wiedergabegeräts gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Fig. 64 zeigt eine schematische Ansicht der Positions-
Bezugsmuster und Aufnahme-/Wiedergabebereiche, welche bei dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 63 auf einem
Aufzeichnungsmedium festgelegt sind.
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Fig. 65 zeigt eine schematische Ansicht der aufgezeichneten
Signale in der Form von zweidimensionalen Bildern bei einem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 63.
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TEXT FEHLT
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auszulesen. Wird eine elektrische Spannung V, welche kleiner
als die Austritts-arbeit θ (θ > eV, wobei e die elektrische
Ladung eines Elektrons ist) zwischen eine elektrisch leitende
Sonde und eine elektrisch leitende Bezugsatomanordnung,
welche mit einer Entfernung Z beabstandet ist, angelegt, so
tunneln die Elektronen durch eine Potentialbarriere zwischen
der elektrisch leitenden Sonde und der elektrisch leitenden
Bezugs-Elektronenanordnung. Die Tunnelstromdichte JT kann
durch freie Elektronenannäherung bestimmt werden und mit
folgender Gleichung ausgedrückt werden:
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JT = (βV/2πλZ)exp(-2Z/λ)... (1)
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unter der Bedingung daß
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λ = / 2mθ und
β = e²/
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wobei
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λ die Abklingkonstante der Wellenfunktion im Vakuum oder
einer Atmosphäre ausserhalb des Metalls ist ( θ liegt im
Bereich von 1 bis 5 eV und λ liegt im Bereich von 1 bis 2 Å);
gleich h/2π (h ist die Planksche Konstante); und
m die Masse des Elektrons ist.
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In Gleichung (1) ändert sich die Tunnelstromdichte JT mit dem
Abstand Z. Genauer gesagt ändert sich der Tunnelstrom
periodisch gemäß der Bezugs-Atonanordnung, wenn eine relative
Lageverschiebung zwischen der Sonde und der
Bezugs-Atomanordnung auftritt, sofern der Durchschnittsabstand zwischen
der Sonde und der Bezugs-Atomanordnung konstant gehalten
wird. Somit kann aus der Änderung des Tunnelstroms auf die
Größe der lagemäßigen Verschiebung rückgeschlossen werden.
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Wenn die Steuerung hinsichtlich der Lage der Sonde in der
Richtung einer normalen Bezugs-Atomanordnung derart ausgelegt
wird, daß der Tunnelstrom JT konstant bleibt, wodurch auch
der Abstand Z konstant bleibt, so ändert sich gemäß Gleichung
(1) das Sondenlage-Steuersignal (welches die Sondenposition
in der Normalrichtung steuert) periodisch entsprechend der
Bezugs-Atonanordnung. Daher kann anhand der Änderung des
Positions-Steuersignals die Größe der Positionsverschiebung
bestimmt werden. Die Auflösung δ in der Skalenoberfläche kann
durch eine feinere Spitze der Sonde erhöht werden und
entsprechend Modellberechnungen folgendermaßen ausgedrückt
werden:
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δ = t2λ(R + Z)]1/2
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wobei R der Kurvenradius der Metallsondenspitze ist.
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Besteht die Sondenspitze aus einem Atom, d.h. R = 1Å, so
liegt die Auflösung δ in einer Größenordnung von 3Å. Das
vorherstehend beschriebene und den Tunnelstrom verwendende
Verfahren kann nicht nur in der Atmosphäre sondern auch in
Flüssigkeiten angewendet werden und besitzt verschiedene
vorteilhafte Merkmale, wie beispielsweise eine hohe
Auflösung.
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Die Erfindung verwendet das vorherstehend beschriebene
Prinzip und schafft eine Codiereinrichtung, wobei eine durch
eine regelmäßige Atomanordnung an einer Materialoberfläche
geschaffene periodische Oberflächenstruktur als Referenz
verwendet wird und wobei ein zwischen der Bezugsoberfläche
und einer elektrisch leitenden Sonde fließender Tunnelstrom
verwendet wird. Dadurch erhält man mit der Erfindung eine
höchste Auflösung in der Größenordnung eines Atoms (einige
Å), welche wesentlich höher ist als die maximale Auflösung
von herkömmlichen Codiereinrichtungen.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nachfolgend
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Die Fig. 2 zeigt den Aufbau einer Codiereinrichtung gemäß
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Fig. 3 zeigt
Kurvensignale, welche man an verschiedenen Teilabschnitten
des vorliegenden Ausführungsbeispiels erhält.
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In Fig. 2 sind ein Objekt 101 und ein weiteres Objekt 102 nur
in einer lateralen Richtung relativ zueinander beweglich
angeordnet (in der Zeichnung in einer horizontalen Richtung)
Das Objekt 101 besitzt eine elektrisch leitende Bezugsskala
103 während das Objekt 102 eine elektrisch leitende Sonde 104
aufweist. Zwischen die Sonde 104 und die Bezugsskala 103 wird
mittels einer Vorspannungsquelle 106 eine Vorspannung
angelegt. Die Spitze der Sonde 104 wird sonahe an die
Bezugsskala 103 herangeführt, bis der mit 105 schematisch
dargestellte Tunnelstrom zwischen ihnen fließt. Der
Tunnelstrom 105 kann mit einer Stromerfassungsvorrichtung 107
erfaßt werden und durch eine Stromverstärkungsvorrichtung 108
verstärkt werden.
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Nach der Verstärkung wird das Tunnelstromsignal 118 (dessen
Kurvensignal in Fig. 3, (a) dargestellt ist) einer
Signalverarbeitungsvorrichtung 110 zugeführt, in der es einer
Binärcodierung durch Aufteilen mit einem bestimmten
Schwellwert, einer Signalverarbeitung durch Erfassen der
Kanten des resultierenden binär codierten Signals zur Impuls-
Ausbildung sowie einer Richtungserfassung unterzogen wird,
die nachfolgend anhand einer bestimmten Vorrichtung
beschrieben wird, welche zum Erfassen der Richtung der
relativen lateralen Versetzung vorgesehen ist. Danach wird
das Signal in ein sich bewegendes Betragssignal 112 (Fig. 3,
(b)) und ein sich bewegendes Richtungssignal 113(Fig. 3, (c))
durch eine Umwandlungsvorrichtung 111 übertragen. Diese
Signale werden einem Zähler 114 zugeführt. In diesem Zähler
114 werden das sich bewegende Betragssignal 112 und das
Richtungssignal 113 in eine laterale relative Versetzung bzw.
Verschiebung umgewandelt. Mittels vorab in einem Speicher 115
abgespeicherten Anfangspositionsdaten berechnet eine
Subtrahiervorrichtung 116 die laterale relative Verschiebung
als Signal 117 (Fig. 3(d)) der Anfangsposition zwischen den
Objekten 101 und 102. Die Auflösung der Codiereinrichtung des
vorliegenden Ausführungsbeispiels kann in der Größenordnung
der Teilung der Bezugsskala 103 liegen (einige Å), wenn eine
periodische Atonanordnung an der Oberfläche des elektrisch
leitenden Materials als Bezugsskala verwendet ist. Man erhält
jedoch eine verbesserte Auflösung unter einem Å, wenn ein
erfaßtes Positionssignal geteilt wird (Fig. 3, (e)). l
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Als nächstes werden die in der Erfindung verwendeten
Sondenmaterialien beschrieben. Als Sondenmaterial können solche
Materialien verwendet werden, die eine elektrische
Leitfähigkeit aufweisen. Beispiele hierfür sind Metalle wie Au,
Pt, Ag, Pd, Al, In, Sn, Pb, W oder dergleichen; sowie
geeignete Legierungen dieser Materialien. Darüber hinaus
können Graphit, Silicide oder ein elektrisch leitendes
Oxydmaterial wie beispielsweise ITO (In-Sn Oxid) verwendet
werden.
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Um eine hohe Auflösung der Godiereinrichtung sicher zu
stellen, ist es notwendig, daß die Spitze der Sonde so scharf
wie möglich in einer Größenordnung eines Atoms ausgestaltet
ist.
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Das vorliegende Ausführungsbeispiel verwendet eine Sonde 104,
welche durch mechanisches Schleifen eines Wolframdrahtes von
einem Durchmesser θ = 1 mm auf einen Durchmesser von ca. 0,2
mm verringert wurde und anschließend mittels einem
Elektropolierverfahren die Spitze geschärft wurde. Die Art
der Behandlung ist jedoch darauf nicht beschränkt.
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Als nächstes wird die Bezugsskala beschrieben. Fig. 4 zeigt
eine schematische Ansicht einer Sonde 104 und einer in dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten elektrisch
leitenden Bezugsskala 103. Fig. 4 zeigt ein Beispiel, in dem
eine periodische Atom- oder Molekülanordnung 301 an der
Oberfläche eines elektrisch leitenden Materials (dessen
Gitterabstand vorerfaßt ist) als Bezugsskala verwendet wird.
Verwendet man eine periodische Anordnung mit einer feinen
Struktur von Atomen oder Molekülen als Bezugsskaia 103, so
ist es möglich, eine Codiereinrichtung zu schaffen, die eine
Auflösung in der Größenordnung von interatomaren Abständen,
d.h. einigen Angström besitzt. Beispiele eines derartig
elektrisch leitenden Materials wie es in der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann, sind Metalle wie
beispielsweise Au, Pt, TaS&sub2; oder dergleichen; Legierungen wie
beispielsweise CuAu, PtIr oder dergleichen; Untermetalle wie
beispielsweise Graphit; Halbleiter wie beispielsweise Si,
MOS&sub2;, GaAs, SiC oder dergleichen; elektrische leitende LB-
Filme (Langmuir Blodgett Film); und elektrisch leitende
organische Materialien wie beispielsweise TTF-TCNQ
(tetrathiafluvalen-tetracyanoquinodinethan). Anstelle der
Atom- oder Molekülanordnung der vorherstehend beschriebenen
Materialien, kann eine Skala gemäß Fig. 5A mit an der
Oberfläche 401 eines elektrisch leitenden Materials
ausgebildeten Gradeinteilungen als Bezugsskala verwendet
werden, wobei die Gradeinteilungen durch einen focusierten
Ionenstrahlprozeß oder Elektronenstrahlprozeß erzeugt wurden.
Gemäß Fig. 5B kann alternativ eine Skala gemäß Fig. 58 als
Bezugsskala verwendet werden, in der die Oberfläche 403 eines
Gegenstands, der die Form eines Brechungsgitters aufweist,
mit einem elektrisch leitenden Film 404 beschichtet werden.
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Als nächstes werden Beispiele beschrieben, in denen eine
periodische Anordnung von Atomen, Molekülen oder dergleichen
in Kombination mit einer oder mehreren hergestellten
Gradeinteilungen verwendet werden, wodurch eine Bezugsskala
entsteht (nachfolgend als "Verbundskala" bezeichnet).
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Fig. 6 zeigt in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel
einer Verbundskala. Gemäß dieser Figur ist auf einer
Bezugsskala 103 eine Bezugsursprung 501 ausgebildet. Der
Augenblick, an dem die Sonde 104 an die Position dieses
Ursprungs 501 gelangt, wird als Anfangs-Einstellpunkt
angesehen. Dadurch ist es jederzeit möglich, den Betrag der
Bewegung der Sonde hinsichtlich dieses Bezugsursprungs 501 zu
bestimmen. Somit ist es möglich, den absoluten Betrag der
Bewegung des Objektes 102 in Bezug auf das Objekt 101 zu
erfassen. Mit Ausnahme dieser Besonderheit kann das
vorliegende Ausfüh-rungsbeispiel im wesentlichen auf gleiche
Weise verstanden werden wie das bereits beschriebene
Ausführungsbeispiel zum Erfassen eines relativen Betrages der
Bewegung.
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Die Fig. 7A bis 7C zeigen weitere Ausführungsbeispiele der
Verbundskala. Fig. 7A zeigt hierbei ein Beispiel, in dem
Abschnitte der Oberfläche einer Atonanordnung einer
bezugsskala 103 durch ein unterschiedliches Material ersetzt
wurden, wodurch sich Bezugsursprünge 601a&sub1; - 601a&sub3; ergeben.
Fig. 78 zeigt ein Beispiel, in dem ein unterschiedliches
Material auf Abschnitte der Oberfläche einer Atomanordnung
einer Bezugsskala 103 aufgebracht wurden, wodurch
Bezugsursprünge 601b&sub1; bis 601b&sub3; entstehen.
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Fig. 7C zeigt ein Beispiel, in dem Abschnitte in der Nähe der
Oberfläche einer Atomanordnung einer Bezugsskala 103 durch
Atzen entfernt wurden, wodurch Bezugsursprünge 601c&sub1; bis
601c&sub3; entstehen.
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In diesen Beispielen sind eine Vielzahl (3 in den
dargestellten Beispielen) von Bezugsursprüngen vorgesehen.
Zur Erklärung der Arbeitsweise und unter Bezugnahme
insbesondere auf die Fig. 7A wird jedesmal wenn die Sonde 104
einen Bezugsursprung 6010i (i = 1 - m) überstreicht, ein
Grobausschlag-Signal ausgegeben. Während einer Zeitperiode,
in der die Sonde vom Bezugsursprung 601a&sub1; bis zum nächsten
Bezugsursprung 601ai+1 fährt, werden Feinausschlag-Signale
ausgegeben. Im wesentlichen gleiche Operationen werden in den
Verbundskalen gemäß Fig. 7A und 7B ausgeführt. Wenn der
Betrag der relativen Bewegung zwischen den Objekten 101 und
102 groß ist, kann der Erfassungsprozeß und die
Erfassungszeit durch selektives Auswählen dieser
Grobausschlagssignale vereinfacht, bzw. verkürzt werden.
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Fig. 8 zeigt einen Abschnitt eines weiteren
Ausführungsbeispiels für eine Verbundskala. Die in dieser Figur
dargestellten Bezugsursprünge 701d&sub1; bis 701d&sub4; sind
hinsichtlich ihrer Breite und dem Abstand zwischen den
Ursprüngen verschieden. Diese Breiten und Abstände sind
jedoch durch eine vorab durchgeführte Messung vorerfaßt,
wobei die vorerfaßten Werte in einem Speicher 115 (Fig. 2)
gespeichert sind. In den Beispiel gemäß Fig. 8 sind die
Breiten der Bezugsursprünge 701d&sub1; bis 701d&sub3; durch Lm-1, Lm
und Lm+1 bezeichnet, während die Abstände zwischen den
Ursprüngen 701d&sub1; und 701d&sub2; und zwischen den Ursprüngen 701d&sub2;
und 702d&sub3; als Wm-1 und Wm bezeichnet sind. Diese Werte werden
vorab in den Speicher 115 (Fig. 2) gespeichert. Jedesmal wenn
eine Sonde 104 einen Bezugsursprung überstreicht wird eine
gespeicherte entsprechende Breite und/oder Abstand gezählt.
Mit anderen Worten wird jedesmal ein Grobausschlag-Signal (,
welches den Abstand Wm-1 oder Wm zwischen den entsprechenden
Bezugsursprüngen darstellt, jedesmal beim Überstreichen eines
Bezugsursprungs ausgegeben, während andererseits ein die
Breite Lm-1, Lm oder Lm+1 des jeweiligen Bezugsursprungs
entsprechendes Signal ausgegeben wird. Auf diese Weise kann
der Erfassungsprozeß und die Erfassungszeit ähnlich wie bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7A bis 7C vereinfacht,
bzw. verkürzt werden.
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Die Fig. 9A und 9B zeigen Abschnitte von weiteren
Ausführungsbeispielen von Verbundskalen. Im Beispiel gemäß Fig. 9A
ist ein Bezugsursprung 801 vorgesehen. Eine Information der
absoluten Position mit n-Bits (i&sub1; bis in) ist entsprechend
diesem Bezugsursprung auf den Bezugsursprung 801
aufgezeichnet. Überstreicht eine Sonde 104 diesen
Bezugsursprung 801 so wird die diesem Bezugsursprung
entsprechende Information der absoluten Position in gleicher
Weise wie beim Feinausschlag-Signal aufgenommen. Daher ist es
möglich, einen derartigen Bezugsursprung als gerade von der
Sonde überstrichenen Bezugsursprung zu erkennen. Demnach
können Positionsinformationen in verkürzter Zeit erhalten
werden.
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Auf ähnliche Weise haben die im Beispiel gemäß Fig. 9B
gezeigten Bezugsursprünge 802, 803 und 804 darauf
aufgezeichnete absolute Positionsinformationen. Vertiefte
Strukturen (Oberflächenstufen) mit einer wie in 802', 803'
und 804' gezeigten Form sind als Bezugsursprünge 802, 803 und
804 ausgebildet. Jede vertiefte bzw. gerillte Struktur trägt
selbst die absolute Positionsinformation. Auf diese Weise
kann jeder Bezugsursprung identifiziert werden. Im einzelnen
sind auf diese gerillten Strukturen 802', 803' und 804' die
Adressen i-1, i, und i+1 der entsprechenden Bezugsursprünge
aufgezeichnet. Die Position eines jeden Bezugsursprungs kann
somit festgelegt werden. Beispielsweise kann die Position an
der ganz linken Oberflächenseite eines jeden Vorsprungs
(gerillte Struktur) als die Position eines enstprechenden
Ursprungs angesehen werden. Mit 805 und 806 sind Atomgrad-
Einteilungen bezeichnet.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die Bits für die absolute
Positionsinformation in fortschreitender Richtung der Sonde
104 angeordnet. Sie können jedoch auch in der Nachbarschaft
des Bezugsursprungs angeordnet sein. Als weitere Alternative
können die Objekte 101 und 102 auch in einer zur
vorherstehend beschriebenen relativen Bewegungsrichtung
(horizontale Richtung in der Zeichnung) senkrechten Richtung
relativ beweglich angeordnet sein, wobei diese Bits in dieser
senkrechten Richtung angeordnet sind. In diesem Fall werden
die Objekte 101 und 102 zum Auslesen der absoluten
Positionsinformation relativ in der senkrechten Richtung bewegt.
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Die Fig. 10 zeigt in einer Schnittansicht ein
Ausführungsbeispiel, wobei nicht-periodische Gradeinteilungen als
Bezugsskala verwendet werden. In diesem Beispiel wurden die
Abstände der nicht-periodischen Gradeinteilungen 901 mittels
einem bekannten Skalentyp vorab vermessen und die erhaltene
Abstandsinformation in einen Speicher 115 (Fig. 2)
gespeichert. Der Betrag der relativen Bewegung zwischen zwei
Objekten 101 und 102 wird dadurch erfaßt, daß (i) die durch
die relative Bewegung zwischen den Objekten 101 und 102
hervorgerufenen und all Ergebnis des Abtastens der
nichtperiodischen Gradeinteilungen durch eine Sonde 104 erhaltenen
Signale verwendet werden, und (ii) die im Speicher 115
gespeicherten Abstandsinformationen verwendet werden.
-
Nachfolgend wird anhand der Fig. 11 bis 19 eine Einrichtung
zum Erfassen der Richtung der relativen lateralen
Verschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 beschrieben.
-
Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches eine
Bezugsskala 1001 mit einer asymmetrischen Form (einer
Elektronenwolkenverteilung) in der Richtung der relativen
Verschiebung verwendet.
-
Es sei angenommen, daß sich mit der relativen Verschiebung
zwischen den Objekten 101 und 102 ein Tunnelstromsignal 118
gemäß Fig. 12, (a) ändert. In diesem Fall wird in einer
Vorrichtung 109 zum Extrahieren einer relativen
Lateral-Positions-Information ein sich bewegendes Betragssignal
(Kantenerfassungsinpulssignal) 112 und ein Richtungssignal
(abgeleitetes Signal) 113 deren Kurvensignale in Fig. 12 (b)
und (c) gezeigt sind, erzeugt. Durch Addieren bzw.
Subtrahieren der Inpulsanzahl des sich bewegenden
Betragssignals 112 entsprechend dem Vorzeichen (positiv oder
negativ) des Richtungssignals 113 kann eine relative Lateral-
Verschiebung wie in Fig. 12 (d) als Impulszahl erfaßt werden.
Demnach wird in diesem Beispiel ein Zustand erfaßt, wonach
sich das Objekt 102 in Bezug auf das Objekt 101 in der
Zeichnung nach rechts verschoben hat und zwar um einen
Betrag, wie er in Fig. 12 (d) angezeigt ist.
-
Wenn sich der Tunnelstrom mit der relativen Verschiebung
ändert, wird in ähnlicher Weise wie in Fig. 12 (e) gezeigt,
nach wiederholter Signalverarbeitung ein Bewegungs-
Betragsignal 112 und ein Richtungssignal 113 erzeugt, wie sie
in Fig. 12 (f) und (g) dargestellt sind. Damit kann
festgestellt werden, daß sich das Objekt 102 in Bezug auf das
Objekt 101 nach links in der Zeichnung um einen wie in Fig.
12 (h) gezeigten Betrag verschoben hat.
-
Auch wenn sich der Tunnelstrom gemäß Fig. 12 (i) ändert, kann
festgestellt werden, daß sich die Richtung der relativen
Verschiebung zwischen dem Objekt 102 in Bezug auf das Objekt
101 an einem Punkt T geändert hat und zwar in der Zeichnung
von rechts nach links.
-
Beispiele für eine Bezugsskala mit einer derartigen
asymmetrischen Form (einer Elektronenwolkenverteilung) sind
eine in den Fig. 13A und 13B gezeigt Ebene (111) eines
kubisch flächenzentrierten Gitters (wobei Fig. 13A eine
Draufsicht und Fig. 13B eine Schnittansicht darstellt), ein
elektrisch leitender LB-Film, in dem eine Asymmetrie in der
"Pull-up"-Richtung auftritt und dergleichen.
-
Fig. 14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in dem die
Richtung der relativen lateralen Verschiebung zwischen den
Objekten 101 und 102 erfaßt wird. Im Beispiel gemäß Fig. 14
wird eine laterale Schwingvorrichtung 1301 verwendet, um eine
geringfügige Schwingung einer Sonde 104 in der Richtung der
relativen Verschiebung hervorzurufen. Wenn im Vergleich zur
relativen Bewegungsgeschwindigkeit zwischen den Objekten 101
und 102 die Sonde 104 ausreichend schnell schwingt, kann man
einen Positions-Differentiations-Koeffizienten für das
Tunnelstromsignal hinsichtlich der relativen lateralen
Verschiebung erhalten, aufgrund dessen die Richtung der
relativen Lateral-Verschiebung erfaßt werden kann.
-
Dies wird im nachfolgenden beschrieben. Wenn die Sonde in der
Richtung der relativen Verschiebung in Schwingung versetzt
wird, besitzt das erzeugte Signal eine derartige Form, daß
eine von der Schwingung der Sonde resultierende geringfügige
Schwingungssignalfrequenz einem Tunnelstronsignal überlagert
wird, welches der Position auf der Skala entspricht, wobei
die geringfügige Schwingungssignalfrequenz eine kleinere
Amplitude und eine höhere Freguenz als die des
Tunnelstromsignals besitzt Das resultierende Signal wird geteilt und
die aufgeteilten Abschnitte einem Tiefpaßfilter und einem
Hochpaßfilter zugeführt. Das Ausgangssignal des
Tiefpaßfilters ist im wesentlichen ein Tunnelstromsignal
(Fig. 15(a), (e), (i) und (m)), welches der Skalenposition
entspricht und aus dem die Kleinsignal-Komponente
ausgefiltert ist. Sie wird daher für die Messung der
relativen Verschiebung verwendet. Andererseits entspricht das
Ausgangssignal des Hochpaßfilters nur dem Kleinsignal (,
welches durch die Sondenschwingung verursacht wurde), wobei die
Tunnelstrom-Signalkonponente ausgefiltert ist. Wenn die
Bewegung der Sonde in einer Richtung als "positiv" bezeichnet
wird, während die Bewegung der Sonde in der entgegengesetzten
Richtung als "negativ" bezeichnet wird, und wenn die Sonde
sich in positiver Richtung relativ zur Skala bewegt, kann das
Kleinsignal bzw. geringfügige Schwingungssignal
folgendermaßen beschrieben werden: Wenn das Tunnelstromsignal ansteigt,
tritt ein geringfügiges Schwingungssignal mit der gleichen
Phase wie die Schwingung der Sonde auf und mit einer
Amplitude, welche dem Betrag des Anstiegs entspricht. Wenn
jedoch das Tunnelsignal abnimmt, entsteht ein geringfügiges
Schwingungssignal mit in Bezug auf die Schwingung der Sonde
entgegengesetzter Phase und einer Amplitude, welche dem
Betrag der Abnahme entspricht. Werden daher die so erhaltenen
Signale einem nitgekoppelten Verstärker zugeführt, während
das Sondenschwingungssignal als Bezugssignal verwendet wird,
kann man auf der Basis der damit erhaltenen Amplitude und
Phase ein derartiges Signal erhalten, welches dem Positions-
Differentiations-Koeffizienten für den Tunnelstrom
hinsichtlich der relativen Verschiebug in positiver Richtung
erhalten, d.h. ein Signal gemäß Fig. 15(c). Wenn sich die
Sonde relativ zur Skala in negativer Richtung bewegt, so wird
ein geringfügiges Schwingungssignal mit einer gegenüber der
Sondenschwingung entgegengesetzten Phase (, wenn das
Tunnelstromsignal ansteigt,) oder ein geringfügiges
Schwingungssignal mit einer gegenüber der Sondenschwingung
gleichen Phase erzeugt (, wenn das Tunnelstromsignal
abnimmt). Auf ähnliche Weise werden diese Signale dem
nitgekoppelten Verstärker zugeführt, wodurch man ein Signal
erhält, welches dem Positions-Differentiations-Koeffizienten
des Tunnelstroms hinsichtlich der relativen Verschiebung in
negativer Richtung entspricht, d.h. ein Signal gemäß Fig.
15(g). Die der relativen Verschiebung entsprechenden
Positions-Differentiations-Koeffizientensignale, welche
mittels dem gleichen Tunnel-stromsignal erhalten werden
können, können sicherlich die entgegengesetzten Phasen
aufweisen in Bezug auf den Unterschied in der
Bewegungsrichtung. Somit kann durch Erfassen der Phase die
Bewegungsrichtung erfaßt werden.
-
Wenn beispielsweise das durch die relative laterale
Verschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 hervorgerufene
Tunnelstromsignal und der dazugehörige
Positions-Differentiations-Koeffizient Änderungen gemäß Fig. 15(a) und (c)
zeigt, wobei das Kurvensignal (c) dem Kurvensignal (a) um
eine Viertelwelle voran eilt, so wird festgestellt, daß sich
im Beispiel gemäß Fig. 14 das Objekt 102 gegenüber dem Objekt
101 nach rechts verschoben hat, und zwar um einen Betrag, wie
in Fig. 15(d) angezeigt ist.
-
Wenn sich der Tunnelstrom mit der relativen Verschiebung in
einer gemäß Fig. 15(e) gezeigten Art und Weise ändert, wobei
das Kurvensignal (g) gegenüber dem Kurvensignal (e) um eine
Viertelwelle verzögert ist, kann auf gleiche Weise nach
Durchführung der in Fig. 15 (f) und (g) gezeigten
Signalverarbeitung festgestellt werden, daß sich das Objekt 101
gegenüber dem Objekt 102 um einen Retrag, wie er in Fig.
15(h) gezeigt ist, nach links verschoben hat.
-
Wenn der Tunnelstrom beispielsweise die in Fig. 15(i) und (m)
gezeigten Änderungen aufweist, kann festgestellt werden, daß
sich die Richtung der relativen Verschiebung des Objektes 102
gegenüber dem Objekt 101 am Punkt T geändert hat, und zwar
von rechts nach links.
-
Fig. 16 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit dem die
Richtung der relativen lateralen Verschiebung zwischen den
Objekten 101 und 102 erfaßt werden kann. Im Beispiel gemäß
Fig. 16 versetzt eine lateral schwingende Vorrichtung 1501
eine Sonde 104 in Richtung der relativen Verschiebung des
Objektes in Schwingungen. An den beiden Punkten A und B
werden die Tunnelstromsignale A und B erfaßt. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel ist es notwendig, daß die Sonde 104
gegenüber der relativen Bewegungsgeschwindigkeit zwischen den
Objekten 101 und 102 ausreichend schnell schwingt. Wenn der
Schwingungsbereich der Sonde 104 mit d bezeichnet wird,
entspricht das Verfahren des vorliegenden
Ausführungsbeispiels dem Verfahren, bei dem zwei in einem Abstand d
beabstandete Sonden zum Erfassen der Richtung mittels zweier
Tunnelstromsignale unterschiedlicher Phasendifferenz mit
Bezug auf die gleiche Bezugsskala 103 verwendet wird.
Reispielsweise kann die Teilung der Bezugsskala 103 mit p
bezeichnet werden und der Bereich d der Schwingung der Sonde
104 anhand der folgenden Gleichung bestimmt werden: -
-
d = p/ 4 + N (p/2)
wobei N = 0, 1, 2, ...
-
In diesem Fall und im Fall, daß sich der Tunnelstrom mit der
relativen lateralen Verschiebung zwischen den Objekten 101
und 102 ändert, wie in Fig. 17(a) gezeigt, kann festgestellt
werden, daß im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 16 sich das
Objekt 102 gegenüber dem Objekt 101 nach rechts verschoben
hat. Ändert sich andererseits der Tunnelstrom gemäß Fig.
17(e), so wird festgestellt, daß sich das Objekt 102 relativ
nach links verschoben hat. Ferner zeigt die Änderung des
Tunnelstroms gemäß Fig. 17(i) oder (m), daß sich die Richtung
der relativen Verschiebung des Objekts 102 gegenüber dem
Objekt 101 an einem Punkt T von rechts nach links geändert
hat.
-
Fig. 18 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, mit dem die
Richtung der relativen Lateralverschiebung zwischen den
Objekten 101 udn 102 erfaßt werden kann. Das
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 18 zeigt ein Beispiel, welches zwei
Sonden verwendet. Die Sonden 1701A und 1701B sind im Abstand
d voneinander beabstandet. Durch Erfassen der
Tunnelstromsignale 1705A und 1705B der beiden Sonden kann die Richtung
der relativen Lateralverschiebung erfaßt werden. Wenn
beispielsweise die Teilung einer Bezugsskala 103 mit p
bezeichnet wird, kann der Abstand d zwischen den Sonden 1701A
und 1701B mittels folgender Gleichung bestimmt werden:
-
d = p/4 + N
wobei N = 0, 1, 2,
-
In diesem Fall und in dem Fall, daß sich die Tunnelströme
1705A und 17058 der beiden Sonden 1701A und 1701B mit der
relativen Lateralverschiebung zwischen den Objekten 101 und
102 ändern, kann, wie in Fig. 19(a) gezeigt, festgestellt
werden, daß sich das Objekt 102 im Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 18 gegenüber dem Objekt 101 nach rechts verschoben hat.
andererseits kann festgestellt werden, daß, wenn sieh der
Tunnelstrom gemäß Fig. 19(e) ändert, das Objekt 102 nach
rechts verschoben wurde.
-
Wenn sich die Tunnelströme gemäß Fig. 19(e) oder (m) ändern,
wird festgestellt, daß sich die Richtung der relativen
Verschiebung des Objekts 101 gegenüber dem Objekt 102 an
einem Punkt T von rechts nach links ändert.
-
Als nächstes werden Ausführungsbeispiele beschrieben, in
denen die vertikale Position einer Sonde mittels einer
vertikalen Sondenpositions-Steuervorrichtung gesteuert wird,
um einen Tunnelstrom an einem vorbestimmten Wert zu halten,
und in dem der Betrag der relativen lateralen Verschiebung
berechnet wird.
-
Die Fig. 20 zeigt den Aufbau einer Codiereinrichtung gemäß
einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Fig. 21
zeigt in einen Flußdiagramm die Arbeitsweise des vorliegenden
Ausführungsbeispiels.
-
Gemäß Fig. 20 wird zum Erfassen der relativen
Lateralverschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 als erstes ein
Tunnelstromwert I&sub0; bestimmt (Schritt B1 in Fig. 21). Die
vertikale Position einer Sonde 104 wird mittels einer
vertikalen Sondenpositionssteuervorrichtung 1901 gesteuert.
Für diese Steuerung wird als erstes ein Tunnelstromwert 1
erfaßt, (Schritt B2) und anschließend der erfaßte Strom I mit
den gesetzten Tunnelstromwert 10 verglichen (Schritt B4)
Wenn I ungleich I&sub0; ist, führt ein Regelschaltkreis 1902 eine
Regelung der vertikalen Sondenpositionssteuervorrichtung 1901
durch (Schritt B3). Wenn der erfaßte Strom I gleich dem
eingestellten Strom I&sub0; ist (Schritt B4), wird ein der
absoluten vertikalen Position der Sonde 104 entsprechendes
Absolut-Vertikal-Positionssignal an eine Vorrichtung 109 zum
Heraus-ziehen der relativen lateralen Positionsinformationen
ausgegeben (Schritt B5). Anschließend und während einer
nachfolgenden relativen Lateralverschiebung zwischen den
Objekten 101 und 102 wird die Vorrichtung 1901 zum Steuern
der vertikalen Sondenposition und der Regelschaltkreis 1902
zum Durchführen einer Regelung der vertikalen Position der
Sonde 104 verwendet, wodurch der erfaßte Strom I konstant auf
einem dem eingestellten Stromwert I&sub0; gleichen Wert gehalten
wird, wobei das Absolut-Vertikal-Positionssignal der Sonde
104 nacheinander an die Vorrichtung 109 zum Herausziehen der
relativen Lateralpositionsinformationen ausgegeben wird. In
diesem Fall ist die für die vorherstehend beschriebene
Regelung benötigte Zeit im Vergleich zu der Zeit, die die
Objekte 101 und 102 zur relativen Lateralverschiebung
benötigen, um eine einer Teilung der Bezugsskala 103
entsprechenden Betrag ausreichend kurz.
-
In der Vorrichtung 109 zum Herausziehen der relativen
Lateralpositionsinformationen kann der Betrag und die
Richtung der relativen Lateralbewegung erfaßt werden (Schritt
B7), wobei dies auf der Basis des zugeführten Absolut-
Vertikal-Positionssignals 1903 der Sonde 104 und der der
Bezgusskala 103 und der Sonde 104 entsprechenden
Informationen erfolgt (Schritt B6). Genauer gesagt, wird das
Absolut-Vertikal-Positionssignal 1903 (, dessen Signal in
Fig. 22(a) gezeigt ist,) mittels einer
Signalverarbeitungsvorrichtung 110 einer Signalverarbeitung unterzogen und
anschließend durch eine Umwandlungsvorrichtung 111 in ein
Bewegungsbetragssignal 112 (Fig. 22(b)) und ein
Richtungssignal 113 (Fig. 22(c)) übertragen, welche
anschließend einem Zähler 114 zugeführt werden. In diesem
Zähler 114 werden das zugeführte Bewegungsbetragssignal 112
und das Richtungssignal 113 in eine relative
Lateralverschiebung umgeformt. Unter Verwendung von vorab in
einen Speicher 115 abgespeicherten Anfangspositionsdaten,
bestimmt eine Subtrahiervorrichtung 116 die relative laterale
Verschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 (Schritt B8)
als ein Signal 117 (Fig. 22(d)).
-
Die Auflösung der Codiereinrichtung gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel liegt in der Größenordnung der
Gradeinteilung der Bezugsskala 103 (einigen Angström, wenn
eine periodische Atomanordnung an der Oberfläche eines
elektrisch leitenden Materials als Bezugsskala verwendet
wird). Es können jedoch eine Vielzahl von Schwellwerten (Fig.
22 (e)) zum Erzeugen des Bewegungsbetrags-Impulssignals aus
dem vertikalen Sonden-Verschiebungssignal verwendet werden,
so daß ein mehrfach codiertes Impulssignal wie in Fig. 22 (f)
gezeigt, erzeugt wird. Verwendet man dieses Signal in
Verbindung mit dem relativen Richtungs-Verschiebungssignal
gemäß Fig. 22 (g), so ist es möglich, die den geteilten
Abschnitten des Positions-Erfassungssignals entsprechenden
Signale zu erhalten, wodurch eine Auflösung von weniger als
einem Angström erreicht wird (Fig. 22 (h)). Hinsichtlich der
vertikalen Positionssteuerung ist es auch möglich, die
Bezugsskala vertikal zu bewegen und ihre vertikale Position
zu erfassen. Dies gilt auch für die weiteren
Ausführungsbeispiele die nachfolgend beschrieben werden. Als nächstes wird
anhand von den Fig. 23 bis 30 eine Vorrichtung zum Erfassen
der Richtung der relativen Lateralverschiebung zwischen den
Objekten 101 und 102 beschrieben, wobei diese Vorrichtung in
einem dem vorherstehend genannten Ausführungsbeispiel
ähnlichem Ausführungsbeispiel eingesetzt werden kann, in dem
die vertikale Position der Sonde erfaßt wird.
-
Die Fig. 23 zeigt ein Beispiel des Ausführungsbeispiels gemäß
Fig. 20, in dem eine asymmetrische Form (einer
Elektronenwolkenverteilung) in Richtung einer relativen Verschiebung
des Objekts, wie in Fig. 13 gezeigt, als Bezugsskala
verwendet wird. Wenn sich, wie in Fig. 24 (a) gezeigt, die
vertikale Sondenposition mit der relativen Verschiebung der
Objekte 101 und 102 ändert, so wird ein Bewegungsbetrag-
Signal 112 und ein Richtungssignal 113 in einer nachfolgenden
Vorrichtung 109 zum Herausziehen der relativen Lateral-
Positionsinformationen erzeugt, wie Fig. 24 (b) und (c)
zeigen. Mittels dieser Signale kann die in Fig. 24 (d)
dargestellte relative Lateralverschiebung erfaßt werden. Es
wird in diesem Fall daher festgestellt, daß in Fig. 23 das
Objekt 102 gegenüber dem Objekt 101 nach rechts verschoben
wurde und zwar um einen in Fig. 24 (d) dargestellten Betrag.
-
Wenn sich die vertikale Verschiebung der Sonde mit der
relativen Verschiebung der Objekte wie in Fig. 24 (e) ändert,
so wird nach der in Fig. 24 (f) und (g) dargestellten
Signalverarbeitung festgestellt, daß sich das Objekt 102 gegenüber
dem Objekt 101 nach links verschoben hat und zwar um einen in
Fig. 24 (h) gezeigten Betrag. Wenn sich ferner die vertikale
Verschiebung der Sonde 104 beispielsweise gemäß der Fig. 24
(i) ändert, kann festgestellt werden, daß sich an einem Punkt
T die Richtung der relativen Verschiebung des Objekts 102
gegenüber dem Objekt 101 von rechts nach links geändert hat.
-
Fig. 25 zeigt ein weiteres Beispiel des vorherstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiels in dem die vertikale
Sondenposition erfaßt wird, wobei die Richtung der relativen
Lateralverschiebung zwischen den Objekten 101 und 102 erfaßt
wird. Im Beispiel gemäß Fig. 25 führt die Sonde 104 eine
geringfügige Schwingung in Richtung der relativen
Verschiebung mittels einer lateralen Schwingvorrichtung 1301
aus. Dadurch, daß die Sonde 104 im Vergleich zur relativen
Bewegungsgeschwindigkeit der Objekte 101 und 102 ausreichend
schnell schwingt, ist es möglich, einen
Positions-Differentiations-Koeffizienten für das absolute vertikale
Positionssignal der Sonde 104 in Bezug auf die relative
Lateralverschiebung zu erhalten. Daraus kann dann die Richtung der
relativen Lateralverschiebung erfaßt werden.
-
Wenn sich beispielsweise die vertikale Verschiebung der Sonde
104 und ihr aus der relativen Lateralverschiebung zwischen
den Objekten 101 und 102 resultierender
Positions-Differentiations-Koeffizient gemäß Fig. 26 (a) und (c) ändern, so
kann festgestellt werden, daß sich das Objekt 102 in Fig. 25
gegenüber dem Objekt 101 nach rechts verschoben hat, und zwar
um einen in Fig. 26 (d) gezeigten Betrag.
-
Wenn sich die vertikale Verschiebung der Sonde 104 mit der
relativen Verschiebung der Objekte gemäß Fig. 26 (e)
verändert, so kann nach der in Fig. 26 (f) und (g)
ausgeführten Signalverarbeitung festgestellt werden, daß sich
das Objekt 102 gegenüber dem Objekt 101 um einen Fig. 26 (h)
dargestellten Betrag nach links verschoben hat.
-
Wird eine Änderung gemäß Fig. 26 (i) oder (m) beobachtet, so
kann festgestellt werden, daß sich die Richtung der relativen
Verschiebung des Objekts 102 gegenüber dem Objekt 101 an
einem Punkt T von rechts nach links geändert hat.
-
Fig. 27 zeigt ein weiteres Beispiel des vorherstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiels in dem die vertikale
Sondenposition erfaßt wird, wodurch die Richtung der
relativen Lateralverschiebung der Objekte 101 und 102 erfaßt
werden kann. Im diesem Beispiel wird eine laterale
Sondenschwingvorrichtung 1501 zur Schwingungserzeugung einer
Sonde 104 in Richtung einer relativen Verschiebung der
Objekte erzeugt, so daß an zwei unterschiedlichen Punkten A
und B absolute Vertikal-Positionssignale A und B der Sonde
104 erfaßt werden. Es ist notwendig, daß die Sonde 104 im
Vergleich zu der relativen Bewegumgsgeschwindigkeit der
Objekte 101 und 102 und innerhalb einer im Vergleich zum
Schwingungszyklus der Sonde 104 ausreichend kurzen Zeit
schwingt, wobei die vertikale Positionssteuerung der Sonde
104 mittels einer vertikalen
Sondenpositionssteuervorrichtung 1901 (d.h. Regelung zum Aufrechterhalten eines
konstanten Tumnelstrom 105) durchgeführt wird. Wenn der
Schwingungsbereich der Sonde 104 mit d bezeichnet wird,
entspricht das vorliegende Ausführungsbeispiel einem
Verfahren in dem zwei in einem Abstand d beabstandete Sonden
zum Erfassen der Richtüng auf der Grundlage zweier Signale
mit einer Phasemdifferenz in Bezug auf die gleiche
Bezugsskala verwendet werden.
-
Wenn die Teilung der Bezugsskala mit p bezeichnet wird, kann
der Bereich d der Somdenschwingung 104 mit der folgenden
Gleichung beschrieben werden:
-
d = p/4 + N (p/2)
-
wobei N = 0, 1, 2 ...
-
Wenn sich in diesem Fall die vertikale Verschiebung der Sonde
104 mit der relativen Lateralverschiebung der Objekte 101 und
102 gemäß Fig. 28 (a) ändert, so kann festgestellt werden,
daß sich das Objekt 102 in Fig. 27 gegenüber dem Objekt 101
nach rechts verschoben hat. Entspricht die vertikale
Verschiebung der Sonde der Fig. 28 (e), so kann festgestellt
werden, daß sich das Objekt nach links verschoben hat.
-
Wenn sich ferner die vertikale Verschiebung der Sonde 104
gemäß Fig. 28 (i) oder (m) ändert, so kann fest-gestellt
werden, daß sich die Richtung der relativen Verschiebung des
Objekts 102 gegenüber dem Objekt 101 an einem Pumkt T von
rechts nach links geändert hat.
-
Fig. 29 zeigt ein weiteres Beispiel des vorherstehend
genannten Ausführumgsbeispiels in dem die vertikale
Sondenposition erfaßt wird, wodurch die Richtung der relativen
Lateralverschiebung der Objekte 101 und 102 erfaßt werden
kann. In diesem Beispiel werden zwei Sonden verwendet. In
Fig. 29 sind zwei vertikale
Sondenpositionssteuer-Vorrichtungem 2801A und 2801B vorgesehen, wodurch unabhängig
voneinander die vertikale Positionssteuerung der zwei in
einem Abstand d voneinander beabstandeten Sonden 1701A und
1701B durchgeführt werden kann (d.h. Regelung zum
Aufrechterhalten eines konstanten Tunnelstroms). Durch Erfassen der
beiden vertikalen Sondenverschiebungssignale 2803A und 2803B
kann die relative Lateralverschiebung erfaßt werden. Wenn
beispielsweise die Teilung einer Bezugsskala mit p bezeichnet
ist, kann der Abstand d zwischen den Sonden 1701A und 1701B
mit der folgenden Gleichung beschrieben werden:
-
d = p/4 + N (p/2)
wobei N = 0, 1, 2, ...
-
Wenn sich die vertikalen Verschiebungen der beiden Sonden
1701A und 1701B gemäß Fig. 30 (a) mit der relativen
Lateralverschiebung der Objekte 101 und 102 ändern, so kann
festgestellt werden, daß sich das Objekt 102 in Fig. 29
gegenüber dem Objekt 101 nach rechts verschoben hat. Wenn
sich die vertikalen Verschiebungen der zwei Sonden gemäß Fig.
30 (e) ändern, so kann festgestellt werden, daß sich das
objekt nach links verschoben hat.
-
Wenn sich ferner die vertikalen Verschiebungen der zwei
Sonden 1701A und 1701B gemäß Fig. 30 (i) oder (m) mit der
relativen Lateralverschiebung der Objekte 101 und 102 ändern,
so kann festgestellt werden, daß sich die Richtung der
relativen Verschiebung des Objekts 102 gegenüber dem Objekt
101 von rechts nach links geändert hat.
-
Gemäß den vorherstehend beschriebenen erfindungsgemäßem
Ausführungsbeispielen wird eine Atomanordnung oder
dergleichen als Bezugsskala verwendet und ein zwischen einer
Sonde und einer Bezugsskala erfaßter Tunnelstrom zum
Bestimmen einer relativen Positionsabweichung zwischen der
Sonde und der Bezugsskala erfaßt. Erfindungsgemäß wird
folglich eine Codiereinrichtung mit einer hohem Auflösung in
der Größenordnung von interatomaren Abständen (Angström)
geschafffen.
-
Gemäß einem Teilaspekt der Erfindung wird ein Tunnelstrom
erfaßt, während der Abstand zwischen Sonde und Bezugsskala
konstant gehalten wird. Dadurch kann die Position schneller
erfaßt werden. Andererseits kann die vertikale Position einer
Sonde erfaßt werden, während ein Tunnelstrom konstant
gehalten wird. Dies führt zu einer genaueren Erfassung der
Position.
-
Als Bezugsskala kann eine kombinierte Struktur aus einer
Atomanordnung und einer hergestellten Gradeinteilung
verwendet werden. Dadurch wird eine absolute
Positionserfassung, eine Positionserfassung über einen weiten Bereich
sowie eine sehr schnelle Positionserfassung möglich.
-
Die Fig. 31 zeigt den Aufbau einer Codiereinrichtumg gemäß
einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Fig. 32
und 33 zeigen Kurvensignale die man an verschiedenen
Teilabschnitten des vorliegenden Ausführungsbeispiels erhält.
In Fig. 31 sind ein Objekt 101 und ein weiteres Objekt 102
relativ zueinander beweglich in einer Lateralrichtung
angeordnet (horizontale Richtung im der Zeichnung). Das
Objekt 102 besitzt eine elektrisch leitende Bezugsskala 103,
während das Objekt 101 mit einer elektrisch leitenden Sonde
104 ausgestattet ist. Zwischen Sonde 104 und Bezugsskala 103
wird mittels einer Vorspannungsguelle 4106 eine Vorspannung
angelegt. Die Sonde 104 besitzt eine Spitze, die in der Nähe
der Bezugsskala 103 angeordnet ist, so daß ein schematisch
als 105 dargestellter Tumnelstrom zwischen Sonde und
Bezugsskala fließt. Der Tummelstrom 105 wird mittels einer
Strom/Spannungs-Umwandlungsschaltung 4107 in eine elektrische
Spannung umgewandelt und nach der Verstärkung mittels einer
Verstärkerschaltung 4108 einer logarithmischen Übertragung
mittels einer logarithmischen Übertragungsschaltung 4109
unterworfen. Dadurch entsteht zum Abstand zwischen Sonde und
Bezugsskala proportionales Ausgangssignal.
-
Darüberhinaus ist eine Sondenschwingvorrichtung 4110
vorgesehen, mit der die Sonde 104 in Richtung der relativen
Bewegung zwischen den Objekten 101 und 102 mit einer
Schwingfreguenz f und einer Amplitude d in Schwingung versetzt
werden kann. Die Schwimgungsgeschwindigkeit wird ausreichend
höher als die relative Bewegungsgeschwindigkeit der Objekte
101 und 102 gewählt.
-
Ein Sondenschwingumgssignal erhält man auffolgende Weise:
-
Ein Oszillator 4111 erzeugt ein rechteckförmiges Signal 2a
mit einer Schwingumgsfreguenz nf, welches an eine
Frequenzteilerschaltung 4112 angelegt wird, so daß das
rechteckförmige Signal in ein Ausgangssignal 2b umgewandelt wird. Das
Ausgangssignal 2b wird einer Signalübertragungsshaltung 4113
zugeführt durch die es in ein Dreieckskurvensignal
(Kurvensignal 2c) mit einer Schwingungsfreguenz f übertragen
wird. Nach der Verstärkung durch einen Verstärker 4114 wird
das Kurvensigmal 2c der Sondenschwingungsvorrichtumg 4110
zugeführt. Eine geeignete Schwingungsvorrichtung kann auf der
Seite des Objekts 102 vorgesehen werden, um die Bezugsskala
anstelle der Sonde in Schwingung zu versetzen.
-
Um den Durchschnittsabstand zwischen der Sonde und der
Bezugsskala während der relativen Lateralbewegung zwischen
den Objekten 101 und 102 konstant zu halten (d.h. den
Durchschnitts-Tunnelstrom konstant zu halten), ist eine
Regelung vorgesehen. Die Regelung besitzt eine Durchschnitts-
Tunnelstromeinstellschaltung 4115 mit der das Ausgangssignal
der logarithmischen Übertragumgsschaltung 4109 erfaßt werden
kann und die für den Fall daß der erfaßte Tunnelstromwert von
einem eingestellten Wert abweicht, ein Korrektursignal
erzeugt, das den erfaßten Fehler ausgleicht. Die Regelung
besitzt ferner ein Tiefpaßfilter 4116 und eine
Verstärkerschaltung 4117. Das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung
4117 wird einer vertikalen Sondenpositions-Steuervorrichtung
4118 zum Einstellen des Abstands zwischen der Sonde und der
Bezugsskala zugeführt. Die Sperrfreguenz des Tiefpaßfilter
4115 wird derart eingestellt, daß (i) eine schnelle
Modulationskomponente des Tunnelstroms, welche vom der
Änderung in der Höhe der Abschnitte der der Sonde
gegenüberliegenden Bezugsskala herrührt, ausgeschlossen wird, wobei
die Änderungen als Folge des Abtastens der Bezugsskala
mittels der relativ zur Bezugsskala im lateraler Richtung
schwingenden Sonde auftreten, und daß (ii) eine geringfügige
Änderungskomponente des Tunnelstroms übertragen wird, welche
von der Neigung oder dergleichen der Bezugsskala während der
relativen Lateralbewegung zwischen den Objekten 101 und 102
herrührt. Daraus ergibt sich, daß die vertikale
Sondenpositions-Steuervorrichtung 4118 nicht der durch die
Schwingung der Sonde erzeugten Tunnelstromänderung folgt,
sondern nur der durch die relative Bewegung zwischen den
Objekten 101 und 102 hervorgerufenen Änderung im Tunnelstrom
folgt. Auf diese Weise wird die vertikale Sondenposition
gesteuert.
-
Als Folge der durch die Sondenschwimgungs-vorrichtung 4110
hervorgerufenen Sondenschwingung wird in dem zwischen der
Sonde und der Bezugsskala fließenden Tunnelstrom 105 eine
Modulations-komponente mit einer Frequenz (2p/d) f erzeugt,
(wobei p die Teilung der Bezugsskala ist) die dem Abtasten
der Bezugsskala durch die Sonde entspricht. Wenn sich zu
diesem Zeitpunkt die Objekte 101 und 102 relativ zueinander
in lateraler Richtung bewegen, so tritt eine
Phasenverschiebung der im Tunnelstrom 105 auftretenden vorherstehend
genannten Modulationskomponente der Frequenz (2p/d) f in Bezug
auf ein Bezugssignal (, das beispielsweise ein
Somdenschwingungssignal sein kann,) auf. Da ein Zyklus des
Kurvensignals (Phasenverschiebung vom 2π) der relativen
Lateralverschiebung der Sonde und der Bezugsskala um einen
der Einheitsskala (Abstand zwischen zwei benachbarten
Gradeinteilungen) der Bezugsskala entsprechenden Abstand
entspricht, kann der Betrag der relativen Lateralbewegung
zwischen den Objekten 101 und 102 durch Erfassen dieser
Phasenverschiebung bestimmt werden. In diesem Fall wird
selbst bei Vorliegen einer Beschädigung oder der-gleichen der
Bezugsskala nur ein Abschnitt des Kurvensigmals gestört und
die Phasenverschiebung im wesentlichen nicht beeinflußt.
Dadurch kann die Meßgenauigkeit aufgrund von äußeren
Einflüssen wie beispielsweise Beschädigungen oder dergleichen
kaum verschlechtert werden.
-
Unter Bezugnahme auf die Fig. 32 und 33 wird nachfolgend die
Signalverarbeitung näher beschrieben.
-
Die im Tunnelstrom auftretende Modulatiomskomponente mit der
Frequenz (2p/d)f wird (als Kurvensignal 2d) aufgenommen
nachdem sie durch den Strom-/Spanmumgs-Umwamdler 4107, die
Verstärkerschaltung 4108, die logarithmische
Übertragungsschaltumg 4109 und ein Bandpaßfilter 4118 verarbeitet wurde.
Das Kurvensigmal 2d wird durch eine Bimärisierschaltung 4119
binär codiert, wodurch ein Kurvemsignal 2e erzeugt wird.
-
In diesem Fall wird die Amplitude des an die
Sondenschwingungsvorrichtung 4110 angelegten Somdenschwingungssignals 2c
so eingestellt (d.h. die Verstärkung der
Verstärkungsschaltung 4114), daß die Beziehung "d = 2p/n" erfüllt ist,
wodurch die Frequenz des Kurvensignals 2e gleich "nf" ist.
Unter Verwendung des frequenzgeteilten Signals 2b als
Bezugssignal wird das Kurvensignal 2e in zwei Kurven-signale
2f und 2g mittels eines analogen Schalters 4120 aufgeteilt,
wobei das frequenzgeteilte Signal 2b durch Frequenzteilung
des Ausgangssignals 2a des Oszillators 4111 mittels einer
Frequenzteilerschaltung 4112 derart erfolgt ist, daß die
Frequenz um 1/n geteilt wurde.
-
Mittels einem weiteren analogen Schalter 4121 wird das
Kurvensignal 2a unter Verwendung des Kurvensignals 2b als
Bezugssignal im zwei Kurvemsignale 2h und 2i aufgeteilt. Die
Kurvensignale 2f und 2h werden einem Phasenvergleicher 4122
zugeführt, wodurch man ein Phasendifferenz-Ausgangssignal 2j
erhält, welches in einer Mittelungsschaltung 4123 gemittelt
wird, und als Ausgangssignal das Kurvensignal 2k ausgibt.
Wenn sich die Obaekte 101 und 102 relativ und lateral
zueinander bewegen, ändert sich das Kurvensignal 2k wie ein
Kurvensignal 3a entsprechend des Betrages der relativen
Bewegung. Ferner wird jedesmal bei einer Phasemdifferenz von
"2π" (n ist eine ganze Zahl) der Nulldurchgangspunkt
beispielsweise des Phasendifferenz-Ausgangssignals 3a mittels
einer Binärisierschaltung 4124 erfaßt, wodurch Impulse
(Kurvemsignal 3b) erzeugt werden. Die Anzahl dieser Impulse
wird durch den Auf-/Abzähler 4125 gezählt. Dadurch ist es
möglich, den Betrag der relativen Phasenverschiebung zwischen
den Signalen 2f und 2h als Codiererausgangssignal 3c zu
erfassen. Gleichzeitig kann das an den Zähler 4125 anliegende
Phasenverschiebumgs-Richtungssignal, d.h. die
Auf-/Ab-Bedingung (Kennzeichen) auffolgende Art und Weise bestimmt
werden:
-
Als erstes wird mittels dem Ausgangssignal 2a des Oszillators
4111 und mittels eines Phasenschiebers 4126 und eines
analogen Schalters 4127 ein Signal 21 erzeugt, dessen Phase
im Vergleich zum Signal 2h um 90º verschoben ist. Das Signal
21 sowie das Signal 2f werden dem Phasenvergleicher 4128
zugeführt, um ein Phasendifferenz-Ausgamgssignal 2m zu
erzeugen, welches seinerseits mittels einer
Mittelungsschaltung
41291 gemittelt wird, wodurch ein Signal 2n erzeugt
wird.
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Auf gleiche Weise wie das Signal 2k ändert sich das Signal 2n
gemäß dem Signal 3d mit der lateralen Relativbewegung
zwischen den Objekten 101 und 102 und entsprechend dem Betrag
einer derartigen relativen Bewegung.
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Darüberhinaus wird das Signal 3d durch eine
Binärisierschaltung 4130 binär codiert, so daß ein Phasen-verschiebungs-
Richtungssignal, d.h. ein dem Auf-/Ab-Zähler 4125 zugeführtes
Auf-/Ab-Signal 3e erzeugt wird. Wenn das Kennzeichen dieses
Auf-/Ab-Sigmals 3e zum Zeitpunkt der steigenden Flanke (3b&sub1;,
3b&sub2; und 3b&sub3;) des Bewegumgsbetrags-Impulssignals 3b positiv
ist, zählt der Auf-/Ab-Zähler 4125 die Anzahl der Impulse
aufwärts. Wenn demgegenüber das Kennzeichen des Auf-/Ab-
Signals 3e zum Zeitpunkt der steigenden Flanke negativ ist,
zählt der Zähler 4125 die Impulse abwärts. Auf diese Weise
kann der Betrag der lateralen Relativbewegung zwischen den
Objekten 101 und 102 erfaßt werden. Im Verfahren gemäß
vorliegendem Ausführungs-beispiel entspricht ein Zyklus (2π)
der Phasenverschiebung der relativen Verschiebung um einen
der Einheitsskala (Teilung) der Bezugsskala entsprechenden
Abstand. Selbst wenn die Bezugsskala eine Beschädigung oder
dergleichen aufweist, wird lediglich ein Abschnitt des
Kurvemsignals gestört und die Phasenverschiebung im
wesentlichen dadurch nicht beeinflußt. Die Korrektheit des
gemessenen Wertes erhält man daher unabhängig von der
Anwesenheit von irgendwelchen extermem Störungen. Anstelle
der vorherstehend beschriebenen Signal-verarbeitung für die
Signale 2f und 2h können auch die Signale 29 und 2i auf
ähnliche Weise verarbeitet werden. Die relative Verschiebung
kann auf diese Weise ebenso erfaßt werden. Die Fig. 34 zeigt
den Aufbau einer Codiereinrichtumg gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Fig. 35 und 36 zeigen Signale, welche man an den
verschiedenen Teilabschnitten des vorliegenden
Ausführungsbeispiels erhält. In Fig. 34 können sich ein Objekt 101 und
ein weiteres Objekt 102 lediglich in einer lateralen Richtung
(einer horizontalen Richtung in der Zeichnung) relativ
zueinander bewegen. Das Objekt 102 ist mit einer elektrisch
leitenden Bezugsskala 103 ausgestattet, während das Objekt
101 eine elektrisch leitende Sonde 104 aufweist. Zwischen
Sonde 104 und Bezugsskala 103 wird mittels einer
Vorspannungsguelle 106 eine Vorspamnung angelegt. Die Sonde
104 besitzt eine Spitze, welche so nahe an die Bezugsskala
103 herangeführt wird, daß ein schematisch mit 105
bezeichmeter Tunnelstrom zwischen ihnen fließt. Der
Tunnelstrom 105 wird mittels einer Strom-/Spannungs-
Umwamdlungsschaltung 4107 in eine elektrische Spannung
umgewandelt und nachdem er mittels einer Verstärkerschaltung
4108 verstärkt wurde, mittels einer logarithmischen
Übertragungsschaltumg 4109 einer logarithmischen Übertragung
unterworfen.
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Mittels einer Sondenschwingvorrichtung 4110 kann eine Sonde
104 in Richtung der relativen Bewegung zwischen den Objekten
101 und 102 mit einer Schwingungsfrequenz f und einer
Amplitude e in Schwingung versetzt werden. Die
Schwingungsgeschwindigkeit ist ausreichend größer als die relative
Bewegungsgeschwindigkeit zwischen den Objekten 101 und 102.
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Das Sondenschwingungssignal erhält man auffolgende Weise:
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Der Oszillator bzw. Schwingkreis 4111 erzeugt ein
Rechtecksignal 2a mit einer Schwingfrequenz f welche einer
Signalzerhacker-Übertragerschaltung 4113 zugeführt wird,
wodurch das Signal in ein Dreieckssignal umgewandelt wird.
Nach der Verstärkung dürch eine Verstärkerschaltung 4114 wird
das Signal (Signal 5b) der Sondenschwingvorrichtung 4110
zugeführt. Eine geeignete Schwimgumgsvorrichtung kann auch
auf der Seite des Objektes 102 vorgesehen werden, um anstelle
der Sonde die Bezugsskala in Schwingung zu versetzen.
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Um den Durchschnittsabstand zwischen der Sonde und der
Bezugsskala konstant zu halten (d.h. den Durchschnitts-
Tunnelstrom konstant zu halten), wird während der lateralen
Relativbewegung zwischen den Objekten 101 und 102 eine
Regelung ausgeführt. Die Regelung besitzt eine Durchschnitts-
Tunnelstrom-Einstellschaltung 4115 mit der das Ausgangssignal
der logarithmischen Übertragumgsschaltung 4109 erfaßt werden
kann und mit der für dem Fall, daß der erfaßte
Tunnelstromwert von einem eingestellten Wert abweicht, ein derartiges
Signal erzeugt wird, daß der erfaßte Fehler korrigiert wird.
Die Regelung besitzt ferner ein Tiefpaßfilter 4116 und eine
Verstärkerschaltung 4117. Das Ausgangssignal der
Verstärkerschaltung 4117 wird einer vertikalen
Sondenposition-Steuervorrichtumg 4118 zum Einstellen des Abstands zwischen der
Sonde und der Bezugsskala zugeführt. Hierbei ist die
Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 4115 derart eingestellt, daß (il)
eine schnelle Modulationskomponente des Tunmelstroms
ausgeschnitten wird, welche von der Höhenänderumg des
gegenüber der Sonde liegenden Abschnitts der Bezugsskala
herrührt, wobei die Änderung als Folge des Abtastens der
Bezugsskala mittels der lateral schwingenden Sonde relativ
zur Bezugsskala auftritt, und daß (ii) eine graduelle
Änderungskomponente des Tunnelstroms übertragen wird, die von
einer Schrägstellung oder dergleichen der Bezugsskala während
der relativen Lateralbewegung zwischen den Objekten 101 und
102 herrührt. Daher folgt die vertikale Sondenpositions-
Steuervorrichtung 4118 nicht der durch die Sondemschwingung
hervorgerufenen Änderung des Tunnelstroms sondern der durch
eine relative Bewegung zwischen den Objekten 101 und 102
hervorgerufenen Änderung des Tunnelstroms. Auf diese Weise
wird die vertikale Position der Sonde gesteuert.
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Als Folge der von der Somdenschwingungs-Vorrichtung 4110
hervorgerufenen Sondems'chwingung wird eine
Modulatiomskomponente mit der Frequenz (2p/d)f (wobei p der Teilung der
Bezugsskala entspricht), welche der Abtastung der Bezugsskala
durch die Sonde entspricht, in dem zwischen der Sonde und der
Bezugsskala fließenden Tumnelstrom 105 erzeugt. Wenn sich zu
diesem Zeitpumkt die Objekte 101 und 102 relativ zueinander
in einer lateralen Richtung bewegen, so entsteht eine
Phasenverschiebumg der vorstehend genannten
Modulationskompomente mit einer Frequenz von (2p/d)f, welche in Bezug
auf ein Bezugssignal (, welches beispielsweise das
Sondenschwingungssignal sein kann,) in dem Tunnelstrom 105
auftritt. Da ein Zyklus des Signals (Phasenverschiebung um 2it
der relativen Lateralverschiebung der Sonde gegenüber der
bezugsskala um einen Abstand entsprechend der Einheitsskala
(Abstand zwischen zwei benachbarten Gradeinteilungen) der
Bezugsskala entspricht, kann der Betrag der relativen
Lateralbewegung zwischen den Objekten 101 und 102 durch das
Erfassen einer derartigen Phasemverschiebung bestimmt werden.
In diesem Fall wird sogar bei einer Beschädigung oder
dergleichen auf der Bezugsskala lediglich ein Abschnitt des
Kurvensignals gestört und die Phasenverschiebung dadurch im
wesentlichen nicht beeinflußt. Daher kann die Genauigkeit
aufgrund von externen Einflüssen und Störungen wie
beispielsweise Defekten oder dergleichen kaum verschlechtert
werden.
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Nachfolgend werden anhand der Figuren 35 und 36 die
Einzelheiten des Signalverarbeitungsverfahrens beschrieben.
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Die Modulationskomponente der Frequenz (2p/d)f, welche im
Tunnelstrom auftritt, wird nach Verarbeitung durch die
Strom/Spannungs-Umwamdlungsschaltung 4107, die
Verstärkerschaltumg 4108, die logarithmische Übertragerschaltung 4109 und
das Bandpaßfilter 4118 (als Signal 5c) aufgenommen. Das
Signal 5c wird durch eine Binärisierschaltung 4119 binär
codiert, wodurch ein Signal 5d erzeugt wird.
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Darüberhinaus wird unter Verwendung des Ausgangssignals 5a
des Oszillators 4111 als Bezugssignal das Signal 5d in die
beiden Signale 5e und 5f mittels eines analogen Schalters
4120 getrennt.
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Ein Schieberegister 4431 arbeitet als Verzögerungsglied um
eine Zeit 1/2f, wodurch ein Signal 5g erzeugt wild.
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Die Signale 5f und 5g werden einem Phasenvergleicher 4122
zugeführt, um ein Phasendifferenz-Ausgangssigmal 5h zu
erzeugen, welches seinerseits mittels einer
Mittelungsschaltung
4123 gemittelt wird, wodurch ein Ausgangssignal 5i
erzeugt wird. Wenn sich die Objekte 101 udn 102 relativ
zueinander in einer lateralen Richtung bewegen, ändert sich
das Signal 5i gemäß einem Signal 6a und entsprechend dem
Betrag der relativen Bewegung. Jedesmal wenn die
Phasendifferemz gleich "2nπ" wird, (n ist eine natürliche Zahl), so
wird beispielsweis der Nulldurchgang des Phasendifferenz-
Ausgangssignals 6a mittels einer Binärisierschaltung 4214
erfaßt und die Impulse (Signal 6b) erzeugt. Die Anzahl dieser
Impulse wird durch einen Auf-/Ab-Zähler 4125 gezählt. Dadurch
ist es möglich, den Betrag der relativen Phasenverschiebung
zwischen dem Signalen 5f und 5g als Ausgangssignal der
Codiereimrichtung 6c zu erfassen. Gleichzeitig kann das dem
Zähler 4125 zugeführte Phasenverschiebungs-Richtungssignal,
d.h. die Auf-/Ab-Bedingung (Kennzeichen), auffolgende Art
und Weise bestimmt werden:
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Als erstes wird ein Signal 5j erzeugt, dessen Phase im
Vergleich zum Signal 5g um 90º verschoben ist. Die Signale 5f
und 5j werden einem Phasenvergleicher 4128 zugeführt, um ein
Phasendifferenz-Ausgangssignal 5k zu erzeugen, welches
seinerseits durch eine Mittelungsschaltung 4129 gemittelt
wird und ein Signal 5l (6d) erzeugt wird.
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Ähnlich wie beim Signal 5i ändert sich das Signal 5l gemäß
dem Signal 6d mit der lateralem relativen Bewegung zwischen
den Objekten 101 und 102 entsprechend dem Betrag einer
derartigen relativen Bewegung.
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Darüberhinaus wird das Signal 6d mittels einer
Binärisierschaltung 4130 binär codiert, so daß ein Phasen-
Verschiebungs-Richtungssigmal, d.h. dem Auf-/Ab-Zähler 4125
zugeführtes Auf-/Ab-Signal, 6e erzeugt. In diesem
Ausführumgsbeispiel zählt der Auf-/Ab-Zähler 4125 die Anzahl
der Impulse abwärts, wenn das Kennzeichen des Signals 6e zum
Zeitpunkt der steigenden Impulsflanke des Signals 6b positiv
ist, während der Zähler 4125 aufwärts zählt, wenn das
Kennzeichen des Signals 6e zum gleichen Zeitpunkt negativ
ist.
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Auf diese Weise kann die laterale relative Verschiebung
zwischen den Objekten 101 und 102 erfaßt werden. In dem im
vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten Verfahren
entspricht ein Zyklus (2π) einer Phasenverschiebung der
relativen Verschiebung um einen einer Hälfte der
Einheitsskala (Gradeinteilung) der Bezugsskala entsprechenden
Abstand.
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Gemäß den vorherstehend genannten Ausführungsbeispielen der
Erfindung wird eine Atomanordnung oder dergleichen als
Bezugsskala verwendet und ein zwischen einer Sonde und der
Bezugsskala fließender Tunnelstrom erfaßt, wodurch die
relative positionelle Abweichung zwischen Sonde und der
Bezugsskala erfaßt werden kann. Dadurch wird erfindungsgemäß
eine Codiereinrichtung mit einer hohen Auflösung in der
Größenordnung von interatomaren Abständen (Angström)
geschaffen. Darüberhinaus kann durch eine relative Schwingung
zwischen der Sonde und der Bezugsskala in Richtung der
relativen positionellen Abweichung eine stabile und
zuverlässige Codiereinrichtung geschaffen werden, in der im
wesentlichen unabhängig von der Anwesenheit von lokalen
Defekten auf der Bezugsskala oder irgendwelchen externen
Störungen wie beispielsweise Vibrationen keine Fehler
auftreten.
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Als nächstes erfolgt die Beschreibung eines weiteren Aspekts
der Erfindung wonach eine Codiereimrichtung geschaffen wird,
die eine hohe Genauigkeit über einen weiten Meßbereich
aufweist.
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Die Fig. 37 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer
Codiereimrichtung gemäß diesem Aspekt der Erfindung. In Fig. 37 ist
mit 5001 ein lichtemittierendes Element bezeichnet; mit 5002
eine Kollimatorlinse; mit 5003 ein Lichtempfangsabschnitt mit
zwei Lichtempfangselenenten 5003a und 5003b; und mit 5005
eine perforierte Codeplatte bezeichnet. Mit 5040 ist eine
metallische Codeplatte bezeichnet, welche in der Richtung
eines Pfeiles C bewegbar ist. Die Codeplatte 5040 ist mit
einer Skala 5041, die mit einer ersten Positions-
Erfassungsvorrichtumg verwendet wird, und mit einer weiteren
Skala 5042 ausgestattet, die mit einer zweiten Positions-
Erfassungsvorrichtung verwendet wird, wobei diese Skalen in
der gleichen Ebene ausgebildet sind. Die Codeplatte-5040 ist
als Reflexionstyp ausgebildet, weshalb die Skala 5041 ein
sogenanntes "schwarz-Weiß-Muster" besitzt, welches aus einer
Kombination von Abschnitten mit großem Reflexionsfaktor und
Abschnitten mit im wesentlichen keiner Reflexion bestehen,
wobei diese beiden Abschnitte in einem gleichmäßigen Abstand
ausgebildet sind. Ein Teil des von dem Muster der Skala 5041
reflektierten Lichtes tritt durch die perforierte Codeplatte
5005 und die Intensität des hindurch tretenden Lichts ändert
sich periodisch entsprechend der relativen Verschiebung
zwischen den zwei Codeplatten 5005 und 5040. Die Skala 5042
besitzt eine Gradeinteilung, welche im Vergleich zu der der
Skala 5041 sehr fein ist. Die Skala 5042 kann auffolgende
Art und Weise hergestellt werden: Ein Substrat wird mit einem
Resistmaterial beschichtet und ein Skalenmuster mittels
Elektronenstrahlzeichnung oder Lithographie darauf
ausgebildet. Nach der Resist-Entwicklung wird eine
Ätzbehandlung durchgeführt, wodurch Vertiefungen mit einer
vorbestimmten Tiefe im der Oberfläche der Codeplatte
nacheinander in der Richtung des Pfeiles C ausgebildet
werden. Im diesem Ausführungsbeispiel wird die Grade
inteilumg der Skala 5042 auf 1/N der Gradeinteilung der Skala
5041 eingestellt, wobei N eine natürliche Zahl ist.
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Ferner ist eine aus einem elektrisch leitenden Material
bestehende Sonde 5007 und eine Sondenansteuervorrichtumg 5008
zum Bewegen der Sonde in einer im wesentlichen senkrechtem
Richtung zur Oberfläche der Codeplatte 5040 vorgesehen. Die
Sondenansteuervorrichtumg 5008 besitzt zwei piezoelektrische
Stellglieder 5008a und 5008b. Das Stellglied 5008a besitzt
ein einzelnes piezoelektrisches Material und funktioniert als
erste Sondenansteuerumg. Das Stellglied 5008a ist mit einem
Ende mit der Sonde 5007 verbunden, während das andere Ende
mit einem Ende des piezoelektrischen Stellgliedes 5008b
verbunden ist, welches aus mehrfach geschichteten
piezoelektrischen Elementen besteht und als zweite
Sondenansteuerung funktioniert. Das andere Ende des
Stellgliedes 5008b ist gemeinsam mit der ersten Positions-
Erfassungsvorrichtung fest mit einem Gehäuse eines
Positionserfassungskopfes (, welche beide nicht gezeigt sind) sicher
befestigt. Die erste Positions-Erfassungsvorrichtung ist mit
einer Vielzahl vom Elementen, wie beispielsweise dem
lichtemittierenden Element 5001, der Kollimatorlinse 5002,
dem Lichtempfangselement 5003 und der perforierten Codeplatte
5005, ausgestattet. Die Sonde 5007 und die Sondenansteuer-
Vorrichtung 5008 arbeiten gemeinsam mit einer
Steuervorrichtung, welche die in Fig. 38 gezeigten
verschiedenen Blöcke aufweist, um die zweite Positions-
Erfassungsvorrichtung zu schaffen.
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Genäß Fig. 38 ist mit 5009 eine Erfassungsvorrichtung zum
Erfassen eines elektrischen Stromes Ip bezeichnet, welcher
durch die Sonde 5007 fließt, wenn eine bestimmte Spannung Vp
zwischen der Codeplatte 5040 und der Sonde 5007 amgelegt
wird. Die Steuereinrichtung 5010 erzeugt ein Signal Vs,
welches angelegt wird, wenn ein Schalter 5011 an einem
piezoelektrischen Gerätetreiber 5012 zum Steuern des
piezoelektrischen Stellgliedes 5008a geschlossen wird,
wodurch ein Abstand zwischen der Sonde 5007 und der Skala
5042 auf der Codeplatte 5040 konstant gehalten wird und
folglich der elektrische Strom Ip konstant bleibt. Die von
einer (nicht gezeigten) Treiberschaltumg erzeugte elektrische
Spannung Vb wird zum Ansteuern der zweiten Treiberschaltung
5008b verwendet, wodurch die Sonde 5007 der Skala 5042 bis
auf einen Abstand angenähert werden kann, bei dem der
elektrische Strom Ie erfaßt wird. Wenn die Spannung Vb einmal
eingestellt ist, so wird ihre Größe bei Verwendung der
Codiereinrichtung auf einem gleichen Wert festgehalten.
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Als nächstes wird die Arbeitsweise der zweiten Positions-
Erfassungsvorrichtung beschrieben.
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Die zweite Positions-Erfassungsvorrichtung verwendet ein
ähnliches Arbeitsprimzip wie ein Abtasttunnelmikroskop (STM)
wie es in "Scanning Tunneling Microscope" von Kajimura et al,
Solid State Physics, Band 22, Nr. 3, Seiten 176 bis 185
(1987) oder in "Recent Progress in the Scanning Tunneling
Microscope" von H. Adachi, Proc. 6. Sensor-Symposium, Seiten
137 bis 182 (1986) oder dergleichen beschrieben wird. Dies
gilt auch für die vorherstehend genannten
Ausführungsbeispiele.
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Insbesondere ist bekannt, daß, wenn gemäß Fig. 39 eine
elektrische Spannung V zwischen einem Muster 5044 und einer
aus einem elektrisch leitenden Material bestehenden Sonde
5007" angelegt wird, und der Abstand dazwischen bis auf einen
Abstand Z schrittweise verringert wird, ein geringfügiger
elektrischer Strom JT fließt, welcher als "Tunmelstrom"
bezeichnet wird. Das Abtasttunnnelmikroskop (STN) verwendet
dieses Prinzip. Der Tunnelstrom ändert sich exponentiell mit
dem Abstand Z wie im Gleichung (1) vorherstehend beschrieben
ist.
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Wenn in diesem Fall die Sonde 5007' in der Richtung eines
Pfeiles C bewegt wird, während die Sonde zum Beibehalten
eines konstanten Abstandes Z auf- und abwärts bewegt wird,
entspricht die vertikale Bewegung der Sonde 5007' der
Oberflächenform des Musters 5044 in der Richtung des Pfeiles
C. Darüberhinaus konnte festgestellt werden, daß die
Auflösung entlang der Oberflächenrichtung in der
Größenordnung eines Atoms liegt.
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Die zweite Positions-Erfassungsvorrichtung des vorliegenden
Ausführungsbeispiels verwendet dieses Prinzip wie in dem
Fällen der Ausführungsbeispiele gemäß der Fig. 20 bis 36. Im
Betrieb wird als erstes in Fig. 38 eine konstante Spannung Vp
zwischen die Codeplatte 5040 und die Sonde 5007 angelegt.
Nachfolgend wird mittels des piezoelektrischen Stellgliedes
5008b und der Einstellung einer elektrischen Spannung Vb die
Sonde 5007 in Richtung der Codeplatte 5040 bis zu einer
Position mit einem Abstand, bei dem ein Tunnelstrom fließen
kann, bewegt. Daraufhin wird der Schalter 5011 geschlossen
und eine dem piezoelektrischen Stellglied 5008a zugeführte
elektrische Spannung Va mittels einem von der
Steuereinrichtung 5010 zu der Treiberschaltung 5012 zugeführten
Signals Vs derart eingestellt, daß der mittels einer
Stromerfassungsvorrichtung 5009 erfaßte Tunnelstrom Ip konstant
gehalten wird. Wenn in diesem Zustand zwischen der Sonde 5007
und der Codeplatte 5040 in Richtung des Pfeiles C eine
relative Bewegung stattfindet, ändert sich der Tunnelstrom Ip
mit der Oberflächenform (Änderung der Oberflächenhöhe) der
Skala 5042. Dementsprechend liefert die Steuereinrichtung
5010 ein Signal Vs an die Treiberschaltung 5012 für das
piezoelektrische Stellglied 5008a, wodurch der Tunnelstrom Ip
wie vorherstehemd beschrieben, konstant gehalten wird, d.h.
daß der Abstand zwischen der Sonde 5007 und der Skala 5042
gleichmäßig konstant gehalten wird. Da der Betrag der
Ausdehnung/Verkürzung des piezoelektrischen Stellgliedes
5008a proportional zur angelegten Spannung Va ist, entspricht
das Signal Vs der Oberflächenform der Skala 5042. Mittels
Binärcodierung und Sigmal-Gleichrichtung erhält man aus
diesem Signal ein Signal S wie es in Fig. 40 dargestellt ist.
Alternativ kann die Spannung Va konstant gehalten werden,
während der Schalter 5011 offen bleibt; die räumliche
Position der Sonde 5007 in Richtung der Dicke der Codeplatte
5040 kann damit konstant gehalten werden; und der am der
Strom-Erfassungsvorrichtung 5009 erhaltene elektrische Strom
Ip kann quantisiert werden. Ein vergleichbares Signal S kann
auch auf diese Weise erhalten werden.
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Gemäß Fig. 40 sind mit A und B die Signale der
Lichtempfangselemente 5003a und 5003b aus Fig. 37 bezeichnet, nachdem sie
binär codiert und gleichgerichtet wurden. Wegen der
perforierten Codeplatte 5005 haben diese Signale eine
gegenseitige Phasendifferemz vom 90º (die Abszissenachse
bezeichnet die Position). Im Beispiel gemäß Fig. 40 besitzen
die Gradeimteilungen der Skalen 5041 und 5042 ein Verhältnis
von 50 (keine Phasemverschiebung; Tastverhältnis = 50:50) und
darüberhinaus sind gemäß Fig. 37 die Lage eines durch das
lichtemittierende Element 5001 der ersten Positions-
Erfassungsvorrichtung definierten Punktes auf der Skala 5041
sowie die Position der Sonde 5007 der zweiten
Positioms-Erfassungsvorrichtung
auf der Skala 5042 beide auf einer
geraden Linie D-D', welche sich rechtwinklig zu diesen beiden
Skalen erstreckt.
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Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die Fig. 40 und 41 die
Positions-Erfassung mittels der vorherstehend genannten
Codiereinrichtung beschrieben. Die Fig. 41 zeigt den Aufbau
eines Impulszählers wie er im Gerät gemäß Fig. 37 verwendet
wird.
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Wenn die Position eines Punktes X1 hinsichtlich einer
Ursprungsposition (links: nicht gezeigt) erfaßt werden soll,
kann das Signal S der Positions-Erfassungsvorrichtung (Fig.
38) in Bezug auf dem Ursprung aufwärts oder abwärts gezählt
werden, weil die positive (oder negative) Bewegungsrichtung
mittels einem Flip-Flop 5013 (Fig. 41) festgestellt werden
kann und wegen der von der ersten
Positions-Erfassungsvorrichtung erzeugten Signale A und B. Da jedoch das
Gradeinteilungsverhältnis der beiden Skalen 5041 und 5042
(P:p = 50:1) vorbestimmt ist, wird als erstes das Signal A
(oder B) zum Durchführen einer Grobzählung verwendet und
nachfolgend das Signal S vom Punkt des letzten Anstiegs X0
(oder Abfalls) des Signals A (oder B) aufwärts gezählt.
Dadurch kann der Aufbau des Zählers vereinfacht werden.
Beispielsweise kann gemäß Fig. 41 ein Zähler 5016 zum Zählen
des Signals A verwendet werden, während ein weiterer Zähler
5017 zum Zählen des Signals S verwendet werden kann. In
diesem Fall wird der Zähler 5017 bei jedem Anstieg (oder
Abfall) des Signals A gelöscht. Dadurch kann die Position des
Punktes X1 erfaßt werden:
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Wenn der Zählwert für das Signal A mit M bezeichnet wird und
der Zählwert für das Signal S mit N bezeichnet wird, ergibt
sich folgende Gleichung, da P = 50 p:
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X1 = M P + N P = (50 M + N)p
-
In Fig. 41 ist mit 5014 und 5015 jeweils ein Multiplexer zum
Ändern der Eingänge der Auf-/Ab-Zählanschlüsse (U und D) der
Zähler 5016 oder 5017 entsprechend der Bewegungsrichtung
bezeichnet, d.h. entsprechend dem Ausgangssignal des Flip-
Flops 5013. Mit 5018 und 5019 sind Anzeigevorrichtungen zum
Anzeigen der Zählstände der Zähler 5016 und 5017 bezeichnet.
die Auflösung der Codiereinrichtung kann auf diese Weise
verbessert werden. Wenn jedoch eine weitere Verbesserung der
Auflösung gewünscht ist, kann eine Atonanordnung der
Oberfläche der Codeplatte anstelle der Skala verwendet werden
(die Größe eines Atoms kann vorher erfaßt werden)
-
Ein derartiges Beispiel ist in Fig. 42 gezeigt. Fig. 42 zeigt
einen vertikalen Abschnitt des Oberflächenabschnitts der
Skala 5042. Mit 5042a sind Metallatome bezeichnet, welche die
Codeplatte 5040 darstellen. Mit 5042b sind Vertiefungen
bezeichnet, welche mit einem Elektronenstrahl,
Lithographieverfahren oder dergleichen ausgebildet wurden und sich in zur
Richtung der Positionserkennung senkrechten Richtungen
erstrecken. Normalerweise ist es schwierig, diese
Vertiefungen hinsichtlich ihrer Abstandsgenauigkeit in der
Größenordnung von Atomen zu schaffen. Jedoch kann durch eine
Vorabmessung die Position einer jeden Vertiefung in Bezug auf
eine Ursprungsposition (durch Zählen der Anzahl von Atome
mittels der zweiten Positions-Erfassungsvorrichtumg) und
durch Speichern der vorab gemessenen Position in einen
Speicher die Position einer m-ten Vertiefung 5042b in
gleicher Weise wie gemäß Fig. 41 beschrieben erfaßt werden.
-
Somit kann durch Starten des Zählvorgangs der Anzahl n von
Atomen von der Anstiegsposition der m-ten Vertiefung die
Positions-Erfassung in der Größenordnung eines Atoms
sichergestellt werden.
-
Fig. 43 zeigt einem größeren Abschnitt einer
Codiereinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Dieses
Beispiel bezieht sich auf einen Fall in dem die vorherstehend
beschriebene zweite Positions-Erfassungsvorrichtung zwei
Sonden aufweist. Die Bezugszeichen 5071 und 5072 bezeichnen
zwei derartige Sonden, welche gegenüber der gleichen Skala
angeordnet sind. Mit 5081a und 5082a sind piezoelektrische
Stellglieder bezeichnet, welche jeweils als zweite Sonden-
Ansteuerungen für eine entsprechende Sonde funktionieren. Mit
5008b ist ein piezoelektrisches Stellglied bezeichnet,
welches als erste Sondem-Ansteuerung funktioniert. d
bezeichnet den Abstand zwischen den zwei Sonden 5071 und 5072
in der Richtung der Positions-Erfassung (Pfeil C). Der
Abstand d wird in Bezug auf die Gradeinteilung p der
vorherstehend genannten Skala 5042 derart eingestellt, daß er
die folgende Beziehung erfüllt:
-
d = (2n+1) p/4
wobei n eine natürliche Zahl ist.
-
Ferner ist mit jeder Sonde 5071 und 5072 und den zweiten
Sondem-Ansteuerungen 5081a und 5082a die Steuervorrichtung
(Fig. 38) funktionsmäßig derart verbunden, daß auf ähnliche
Weise der Abstand zwischen der Skala 5042 und jeder Sonde
5071 bzw. 5072 gesteuert und konstant gehalten werden kann.
Mit dieser Anordnung erhält man zwei Signale mit einer
Phasendifferenz vom 90º auf gleiche Weise wie vorherstehend
beschrieben, weshalb es möglich ist, die Bewegungsrichtung
selbst dann festzustellen, wenn der Abstand der Bewegung
derart klein ist, daß ihre Richtung nicht durch die erste
Positionserfassungsvorrichtung erfaßt werden kann.
-
Die Fig. 44 zeigt eine perspektivische Ansicht eines größeren
Abschnitts einer Codiereinrichtung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführumgsbeispiel
ist die mit der zweiten Positions-Erfassungsvorrichtumg
verwendete Skala 5042 des vorhergehenden Ausführungsbeispiels
zweireihig mit den Skalen 5421 und 5422 ausgebildet, welche
eine Phasenverschiebumg um ein Viertel der Gradeinteilung
(d.h. p/4) zueinander aufweisen. Stattdessen wird jede
Phasenverschiebumg zwischen den Sonden 5071 und 5072 (wie im
Falle des vorherstehend genannten Ausführungsbeispiels)
verhindert und die Sonden sind oberhalb der Skalen 5021 und
5022 entsprechend angeordnet. Auch in diesem
Ausführungsbeispiel erhält man im wesentlichen die gleichem
vorteilhaften
Auswirkungen wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.
-
Die Fig. 45A und 45B zeigen eine Codiereinrichtung gemäß
einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, webei Fig.
45A eine Schnittansicht und Fig. 45B die Codiereinrichtung
von Fig. 45A von unten zeigt. In diesen Figuren ist mit 6007
eine aus einem elektrisch leitenden Material bestehende Sonde
bezeichnet; und mit 6008 eine Ansteuer-Vorrichtung, welche
zwei elektrische Stellglieder 6008a und 6008b aufweist und
derart betrieben wird, daß die Sonde 6007 in einer im
wesentlichen senkrecht zur Oberfläche einer zweiten
Codeplatte 6042 liegenden Richtung, welche nachfolgend
beschrieben wird, bewegbar ist. Das piezoelektrische
Stellglied 6008a besteht aus einem einzigen
piezoelektrischen Material und funktioniert als erste Sonden-
Ansteuerumg. Das Stellglied 6008a ist mit einem Ende mit der
Sonde 6007 verbunden und mit seinem anderen Ende mit einem
Ende des piezoelektrischem Stellgliedes 6008b verbunden,
welche aus einem mehrschichtigen piezoelektrischen Element
besteht und als zweite Somden-Ansteuerung wirkt. Das andere
Ende des piezoelektrischen Stellgliedes 6008b ist sicher mit
einem Halteglied 6100 verbunden, wodurch in einer fest
vorgegebenen positionellem Beziehung verschiedene Elemente
wie beispielsweise ein lichtemittierendes Element 6001, eine
Kollimatorlinse 6002, ein Lichtempfangselement 6003 und eine
perforierte Codeplatte (Maske) 6005 festgehalten werden,
welche gemeinsam eine erste Positons-Erfassungsvorrichtung
darstellen. Die Sonde 6007 und die Sonden-Ansteuervorrichtung
6008 arbeiten gemeinsam mit der Steuervorrichtung, welche
eine Vielzahl von in Fig. 46 gezeigten Blöcken aufweist und
eine zweite Positions-Erfassungsvorrichtung darstellen. Mit
6041 ist in Fig. 45A eine erste Codeplatte mit einer
Oberfläche 6410 bezeichnet, auf der zur Verwendung der ersten
Codeplatte 6041 als Reflexions-Typcodeplatte eine nicht
gezeigte Skala aufgebracht ist, welche aus einem "Schwarz-
Weiß-Muster" besteht und Flächen mit einem Reflexionsfaktor
und Flächen mit im wesentlichen keiner Reflexion besitzt,
wobei diese beiden Arten von Flächen in regelmäßigen
Abständen angeordnet sind. Mit 6101 ist ein Gehäuse
bezeichnet, welches vier parallele Blattfedern aus
Metallplatten 6102 besitzt, die aus Phosphorbronze oder
dergleichen bestehen und das Halteglied 6100 für eine
relative Bewegung in der Richtung eines Pfeiles C
- unterstützen bzw. tragen. Das Gehäuse wird als Ganzes als
"Meßkopf" bezeichnet. Der Meßkopf 6101 ist in Bezug auf die
erste Codeplatte 6041 beweglich gelagert. Mit 6042 ist eine
zweite Codeplatte bezeichnet, welche aus einem elektrisch
leitenden Material besteht und an der inneren Oberfläche des
Meßkopfes 6101 gegenüber der Sonde 6007 angeordnet ist.
Zwischen die Sonde 6007 und die zweite Codeplatte 6042 wird
eine konstante elektrische Spannung angelegt. An der
Oberfläche 6420 der zweiten Codeplatte 6042 ist eine Skala
6021 ausgebildet, welche Vertiefungen oder Vorsprünge mit
einer vorbestimmten Tiefe (Höhe) aufweisen und eine im
Vergleich mit der Skala der ersten Codeplatte 6041 sehr feine
Gradeinteilung besitzt. Die Vertiefungen der Skala 6421
werden nacheinander in der Richtung des Pfeiles C mittels
Elektronemstrahl, Lithographie oder dergleichen ausgebildet.
-
Beispielsweise kann die Gradeinteilung der Skala 6421 auf
einen Wert 1/N der Gradeinteilumg der Skala der ersten
Codeplatte 6041 eingestellt werden, wobei N eine natürliche
Zahl ist. Mit 6108 ist eine Ansteuervorrichtung bezeichnet,
die zwischen dem Halteglied 6100 und dem Meßkopf 6101
vorgesehen ist, um das Halteglied 6100 gegenüber dem Meßkopf
6101 zu bewegen. Diese Ansteuervorrichtung besitzt
beispielsweise ein mehrschichtiges piezoelektrisches
Stellglied. Mit 6003 ist ein Lichtempfangsgerät bezeichnet,
welches zwei Lichtempfangselemente 6003a und 6003b besitzt,
wie auch im Falle von Fig. 37.
-
Die Fig. 46 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung
der Codiereinrichtung gemäß dem in Fig. 45 gezeigten
Ausführungsbeispiel.
-
In Fig. 46 ist mit 6009 eine Stromerfassungsvorrichtung
bezeichnet, zum Erfassen eines durch die Sonde 6007
fließenden elektrischen Stromes Ip, wenn zwischen die Sonde
6007 und die zweite Codeplatte 6042 eine bestimmte
elektrische Spannung Vp angelegt wird. Eine Steuereinheit
6010 erzeugt ein Signal Vs, welches an eine piezoelektrische
geräteansteuerung 6012 angelegt wird, wenn ein Schalter 6011
geschlossen ist, wodurch das piezoelektrische Stellglied
6008a angesteuert wird und der Abstand zwischen der Sonde
6007 und der Skala 6021 auf der zweiten Codeplatte 6042 auf
einem konstanten Wert gehalten wird, wobei folglich der
elektrische Strom Ip konstant gehalten wird. Die von einem
(nicht gezeigten) Treiber erzeugte elektrische Spannung Vb
wird zum Ansteuerm des piezoelektrischen Stellgliedes 6008b
vom Mehrschichttyp verwendet, wodurch sich die Sonde 6007 in
Richtung auf die Skala 6421 bewegt, bis zu einer Position an
der der Strom Ip erfaßt werden kann. Wenn die Spannung Vb
einmal eingestellt ist, so wird ihr Wert während der
Verwendung der Codiereinrichtung als feste Größe beibehalten.
-
Die Arbeitsweise der zweiten Positions-Erfassungsvorrichtumg
entspricht der des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 37. Auf
eine detaillierte Beschreibung wird daher verzichtet.
-
Fig. 47 zeigt ein Zeitdiagramm, welches die Beziehung
zwischen den an verschiedenen Abschnitten der Vorrichtung
gemäß 45 erzeugten Signalen darstellt. In Fig. 47 bezeichnen
A und B die Signale der Lichtempfangsvorrichtung 6003 (der
Elemente 6003a und 6003b) nachdem sie binär codiert und
gleichgerichtet wurden. Wegen der Maske 6005 besitzen diese
Signale eine gegenseitige Phasenverschiebung von 90º (die
Abscissenachse bezeichnet die Position). Die Impulse PC
werden durch Erzeugen eines Impulses mit einer vorbestimmtem
Breite ausgebildet, wobei sie jeweils bei der steigenden oder
fallenden Flanke dieser beiden Signale beginnen und daher
einer um vier multipliziertem ursprünglichen Impulsfrequenz
entsprechen.
-
Die Art und Weise der Positionserkemnung mittels der
vorherstehemd genannten Codiereinrichtung wird nachfolgend in
Verbindung mit den Fig. 45A, 45B und 47 sowie dem Fluß
diagramm gemäß Fig. 48, welches die Reihenfolge des
Meßverfahrens darstellt, näher beschrieben.
-
Für den Fall, daß wie in Fig. 47 gezeigt, der Abstand
zwischen einer Ursprungsposition X0 bis zu einer Position Xk
gemessen werden soll und lediglich die erste Positions-
Erfassungsvorrichtumg verwendet wird, so wird in Fig. 47 ganz
links am Rand mit den Zählen der Impulse PC begonnen. Somit
erhält man aus dem Wert "M x P" den Abstand zwischen dem
Ursprung und der Position Xk, wobei M die Anzahl der Impulse
vom Ursprung X0 bis zur Position X1 bezeichnet, und P die
Gradeinteilung der Impulse ist (welche gleich 1/4 der
Gradeimteilung der Skala der Codeplatte 6041 ist). Mit diesem
Verfahren kann jedoch die Länge S von der Position X1 bis zur
Position X2 nicht gemessen werden. Mit anderen Worten besitzt
der gemessene Wert einen Fehler entsprechend einem
Impulsabstamd (+/-P) des Signals PC. Gemäß dem vorliegenden
Ausführumgsbeispiel kann die Länge S auch mittels der zweiten
Positions-Erfassumgsvorrichtung gemessen werden, um dadurch
die Meßgenauigkeit (Auflösung) zu verbessern.
-
Der Meßvorgang beginnt mit der Durchführung von
vorbereitenden Maßnahmen (wie nachfolgend beschrieben wird),
welche vor der Meßoperation durchgeführt werden.
-
Bezugnehmend auf die Figuren 45A und 45B wird als erstes
mittels der Ansteuervorrichtung 6108 das Halteglied 6100
derart bewegt, daß die Sonde 6007 auf eine Bezugsposition auf
der Codeplatte 6042 (Schritt 6110) bewegt. Dies wird deshalb
durchgeführt, um die erste Positionserfassungs-vorrichtung in
Bezug auf das Meßkopfgehäuse 6101 auf eine feste Position zu
bringen. Nachfolgend wird ein (nicht gezeigter) Zähler zum
Zählen der Impulse PF rückgesetzt (Schritt 6120). Die
vorherstehend genannte Bezugsposition bzw. Bezugslage kann
beispielsweise durch eine vorab und ortsmäßige Veränderung
der Gradeinteilung der Skala 6421 auf der zweiten Codeplatte
6042. bestimmt werden. Daraufhin wird der Meßkopf 6101 zur
Ursprungsposition X0 bewegt (Schritt 6130) und ein (nicht
gezeigter) Zähler zum Zählen der Impulse PC rück-gesetzt
(Schritt 6140). Zum Positionieren an dieser Ursprungsposition
kann ein weiterer Lichtschalter wie beispielsweise ein
Fotounterbrecher verwendet werden. Alternativ kann eine
bestimmte Marke für die Ursprungs-position auf der ersten
codeplatte 6041 vorgesehen werden, welche durch die erste
Positionserfassungsvorrichtung erfaßt werden kann.
-
Wenn in Schritt 6150 angezeigt wird, daß die Messung
durchzuführen ist, so wird der Meßkopf 6101 zur Meßposition bewegt
(Schritt 6160). Während die Impulse PC mittels der ersten
Positions-Erfassungsvorrichtung gezählt werden (Schritt 6170)
wird der Meßkopf bewegt. Wenn der Meßkopf die Meßposition
erreicht (Schritt 6180) wird der Meßkopf 6101 gestoppt, bzw.
abgebremst (Schritt 6190). Darüberhinaus wird zur Messung des
geringfügigen Abstandes S in Fig. 47 das Halteglied 6100
mittels der Ansteuervorrichtung 6108 in einer gegenüber der
Bewegungsrichtung des Meßkopfes 6101 entgegengesetzten
Richtung bewegt, bis der zuletzt gezählte Impuls PC erscheint
(Schritt 6200). Während dieser Verschiebung werden die
Impulse PF mittels der Sonde 6007 und dem PF-Impulszähler
gezählt (Schritt 6210). Wenn der Impuls PC erscheint (obwohl
zu diesem Zeitpunkt der PC-Impuls-Zähler nicht um 1
verringert wird) (Schritt 6220), wird der Abstand zwischen
der Meßposition und der Ursprumgsposition anhand der
Zählwerte des PC-Impuls-Zählers und des PF-Impuls-Zählers
berechnet (Schritt 6240). Wenn die beiden Zählwerte M und N
sind, kann der zu messende Abstand X folgendermaßen berechnet
werden:
-
X = M P + N p
-
Abschließend wird das Halteglied 6100 zur Bezugsposition
zurückgeführt und der PF-Impuls-Zähler für die nächste
Messung rückgesetzt.
-
Auf diese Weise erhält man eine im Vergleich zu herkömmlichen
Codiereinrichtungen erhöhte Meßauflösung. Wenn jedoch eine
weitere Verbesserung der Auflösung gewünscht ist, kann eine
Atomanordnung an der Oberfläche der zweiten Codeplatte als
Skala verwendet werden, wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig.
42 dargestellt ist (die Größe eines Atoms kann vorab erfaßt
werden). Da eine derartige Skala bereits anhand der Fig. 42
erklärt wurde, wird auf eine Beschreibung am dieser Stelle
verzichtet.
-
Es ist für die zweite Positions-Erfassungsvorrichtung
ausreichend, eine umterstützende Rolle für die erste
Positioms-Erfassungsvorrichtung zu spielen, weshalb ihr
Meßbereich klein ist. Ein Bereich der nicht kleiner ist als
der Abstand P der Impulse PC ist als Minimum ausreichend. Die
Größe der zweiten Codeplatte und/oder des Stellgliedes
(Ansteuervorrichtung) kann daher klein sein. Der Meßkopf mit
diesen Komponenten kann daher im wesentlichen die gleiche
Größe aufweisen, wie ein herkömmlicher Meßkopf.
-
Die zweite Positions-Erfassungsvorrichtug gemäß dem
Ausführungsbeispiel mach Fig. 45 kann auch durch eine
Vorrichtung ersetzt werden, wie sie anhand der Fig. 43 oder
44 beschrieben wurde. Wie in Fig. 49 gezeigt, ist es auch
möglich, daß eine Sonde 6007 und eine
Sondenansteuervorrichtumg 6008 an der inneren Oberfläche eines Meßkopfes
6101 angeordnet sind, während eine Codeplatte 6042 auf einem
Halteglied 6100 derart vorgesehen ist, daß die Beziehung
zwischen der Sonde 6007 und der Codeplatte 6042 im Vergleich
zum vorherstehemd beschriebenen Ausführungsbeispiel
entgegengesetzt ist. Auf ähnliche Weise kann in den anderen
Ausführungsbeispielen die Beziehung zwischen der Skala und der
ersten oder zweiten Positions-Erfassungsvorrichtumg
entgegengesetzt sein, bzw. umgekehrt werden.
-
In dem mittels der Fig. 37 bis 49 beschriebenen
Ausführungsbeispielem muß die erste Positions-Erfassumgsvorrichtumg
nicht auf eine Vorrichtung vom optischen Typ beschränkt
werden, sondern es können auch magnetische oder andere
Erfassungsvorrichtungen verwendet werden. Während die
vorherstehend genannten Ausführungsbeispiele mittels einem
linearen Meßsystem beschrieben wurden, ist es auch möglich
ein Drehmeßsystem zu verwenden (d.h. ein Wimkelmeßsystem).
-
Als nächstes erfolgt die Beschreibung eines weiteren Aspekts
der Erfindung. Gemäß diesem Aspekt ist es beabsichtigt ein
Aufnahme-/Wiedergabegerät zu schaffen, wobei eine
Sondenelektrode zum Durchführen einer elektrischen hochdichten
Aufnahme/Wiedergabe verwendet wird und wobei die Funktionen
der hochgenauen Positionserfassung bzw. Positionssteuerumg
eingeführt werden, um eine Aufnahme/Wiedergabe mit hoher
Dichte und guter Wiederholbarkeit sicherzustellen.
-
Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird ein
Aufnahme/Wiedergabegerät geschaffen, welches ein Aufzeichnungsmedium
mit einer als Bezugssystem funktionierenden Positions-
Koordinatenachse, eine Spannungs-Zuführvorrichtung mit einer
Sondenelektrode und eine Erfassungsvorrichtung aufweist, zum
Erfassen der Position auf der Positions-Koordinatenachse, so
daß das Aufnehmen von Informationen und/oder das Wiedergeben
von aufgenommenen Informationen an dieser Stelle des
Aufzeichnungsmediums durchgeführt werden kann, welche der
erfaßten Koordinatenposition entspricht.
-
Die Positionserfassungsvorrichtung und das
Aufnehmen/Wiedergeben von Informationen, wie sie in einigen
Ausführungsbeispielen dieses Aspekts der Erfindung Verwendung
finden, nutzen das Phänomen, daß beim Zusammenbringen von
einer elektrisch leitenden Sonde (Sondenelektrode) und einem
elektrisch leitenden Material bis auf einen Abstand von ca.
Inm, während eine elektrische Spannung dazwischen angelegt
wird, ein Tunnelstrom zwischen ihnen fließt. Da ein
derartiger Tunnelstrom vom der Austrittsarbeit am der
Oberfläche eines Leiters abhämgt, können Informationen
entsprechend verschiedener Oberflächenelektronenzustände
ausgelesen werden. Die vorliegende Erfindung nutzt dieses
Phänomen aus. Insbesondere wird ein Aufnahmemedium mit einer
gleichmäßigen Atomanordnung oder einem beliebig ausgebildeten
und als Bezugspunkt arbeitenden Ursprung verwendet und in ein
derartiges Aufzeichnungsmedium ein auf der gleichmäßigen
Atomanordnumg oder dem Bezugsursprumg basierendes Positions-
Koordinatensystem eingebracht. Die Positiomserfassung erfolgt
durch Erfassen einer charakteristischen Änderung im
Tunnelstrom entsprechend dem Positionskoordinatensystem. Auf
der Grundlage des Positions-Erfaßungsergebnisses wird die
Aufnahme-/Wiedergapepositiom auf dem Aufzeichmungsmedium
spezifiziert, welches sich in einer bestimmten positionellen
Beziehung mit dem Positionskoordinatsystem befindet. Die
Positionierug der Sondenelektrode wird entsprechend dieser
Aufnahme-/Wiedergabeposition gesteuert. Nachfolgend wird
mittels der Sondenelektrode die Aufnahme-/Wiedergabe
durchgeführt. Die positionelle Beziehung zwischen der
Koordinatenachse und der Aufnahmeposition zu diesem Zeitpunkt
ist in Fig. 50 schematisch dargestellt. Die positionellen
Informationen A - I befinden sich in der Form von
Gradeinteilumgen auf der Koordinatemachse immer in einer "relativen"
positionellen Beziehung mit dem Aufzeichmungs-Positionem (A'
bis I'). Beispielsweise entspricht A: A'. Daher können durch
Erfassen der positionellem Informationen A bis I die
Aufzeichnumgspositionen A' bis I' hinreichend spezifiziert
werden. In diesem Fall ist es nicht immer notwendig, daß die
Punkte (Gradeinteilung) auf der Koordinatenachse und die
Aufzeichnungspositionen in einer eindeutigen relativen
Zuordnung angeordnet sind. Beispielsweie können eine Vielzahl
von Aufzeichnungspositiomen wie beispielsweise ein Punkt A'',
ein Punkt A''', usw. sowie ein Punkt A' vorgesehen sein, die
alle einer positiomellen Information A entsprechen.
-
Jedoch ist vom Standpunkt der Genauigkeit eine eindeutige
Beziehung (1:1 Beziehung) wünschenswert. Ferner stellt die
Verwendung einer einzigen Koordinatenachse keine Beschränkung
dar, da auch eine Vielzahl von Achsen verwendet werden
können. Darüberhinaus Ist das Koordinatensystm nicht auf ein
eindimensionales beschränkt, da auch zweidimensiomale Systeme
(gitterförmige Systeme) verwendet werden können. In diesem
Falle sind entsprechend der Gitterpunkte des
zweidimensiomalen Koordinatensystemns die Aufzeichnungspositionen
zweidimensional verteilt.
-
Koordinaten-Achse:
-
Die in der vorliegenden Erfindung als ein Glied eines
Positions-Erfassungssystems verwendete Koordinatenachse kann
mittels Verwendung einer gleichmäßigen Atomanordnung oder
alternativ mittels eines beliebig ausgebildeten Bezugspunktes
ausgebildet werden. Für eine derartige
gleichmäßige-Atomanordnung kann beispielsweise ein elektrisch leitendes
Material dessen Gitterabstand vorerfaßt ist, beispielsweise
der von verschiedenen Metallen, Graphit, Monokristallen und
dergleichen vergwendet werden. Da darüberhinaus der in diesem
Aspekt der Erfindung verwendete Tunnelstrom einen Wert in der
Größenordnung von na besitzt, sollten für das vorherstehend
genannte leitende Material solche Materialien verwendet
werden, die eine elektrische Leitfähigkeit von nicht weniger
als 10&supmin;¹&sup0; (Ohm x cm)&supmin;¹ aufweisen. Folglich kann ein
monokristalliner Halbleiter wie beispielsweise Silizium
verwendet werden. Als Beispiel für derartige Materialien wird
nachfolgend eine Metallprobe betrachtet. In der Gleichung (1)
ändert sich die Tunnelstromdichte JT mit dem Abstand Z. Wenn
daher eine Sondenelektrode eine Oberfläche einer Metallprobe
in beliebiger geradliniger Richtung relativ dazu abtastet,
während ein Durchschnittsabstamd zwischen der Sonde und der
Bezugsatomanordnung konstant gehalten wird, ändert sich der
Tunnelstrom periodisch entsprechend der Metall-Atomanordnung.
Wo eine derartige Metallprobe mit vorerfaßter Gitterkonstante
verwendet wird, ist der Zustand der Atomamordnung in einer
beliebigen Richtung hinsichtlich eines bestimmten
Gitterpunktes auf einer beliebigen Kristallfläche offensichtlich,
weshalb die periodische Änderung des Tunnelstroms, die als
Folge des Abtastens der elektrischen Sonde im dieser Richtung
auftritt, ausreichend vorhergesagt werden. Durch Korrigieren
der Abtastrichtung der Sondemelektrode derart, daß der
vorhergesagte Wert der Tunnelstromänderumg und der durch das
wirkliche Abtasten der Sondenelektrode hervorgerufene
gemessene Wert der Tunmelstromämderung gleich werden, kann
die Bewegung der Sondenelektrode mit der Atomanordnung der
Metallprobe in Einklang gebracht werden. Wenn somit die
Atomanordnung als Koordimatemachse betrachtet werden kann, bewegt
sich die Somdenelektrode genau entlang dieser
Koordinatenachse. Unter der Annahme, daß die Sondenelektrode auf dieser
Koordinatenachse in einer bestimmten Richtung bewegbar ist
und zu einer bestimmten Position um einem bestimmten Abstand
beabstandet ist, und das Ende der Bewegung (Ziel) in einem
Aufnahme-/Wiedergabebereich liegt, kann die
Aufnahme/Wiedergabe an jeder Position in einer 1:1-Beziehung entsprechend
einem jeden Punkt auf der Koordinatenachse durchgeführt
werden. In diesem Fall ist es nicht immer notwendig, daß sich
die Sondemelektrode zwischen der Koordinatenachse und dem
Aufnahmebereich bewegt. Beispielsweise kann zu einer
Sondemelektrode (Positionserfassungs-Sondenelektrode), die
sich entlang der Koordinatenachse bewegt, eine getrennte
Aufnahme-/Wiedergabesomdemelektrode am einer bestimmten
Position hinzugefügt werdeh, wobei die beiden Elektroden in
einer festen Beziehung zueinander stehen.
-
Auf jeden Fall kann die Position der Sondenelektrode im
Aufnahmebereich, d.h. die Aufnahmeposition, eindeutig in
Bezug auf die Koordinatenachse bestimmt werden, welche das
Kristallgitter einer Metallprobe verwendet. Für den Fall, daß
ein Abschnitt oder die ganze Oberfläche eines
Aufzeichmungsmediums eine gleichmäßige Atomanordnung aufweist
und der Zustand einer derartigen Anordnung vorerfaßt ist, ist
es möglich, einen derartigen Aufnahmebereich mit einem X-Y-
Koordinatensystem einzustellen, welches eine eindeutige
Beziehung mit einem das Kristallgitter einer derartigen
Atomamordnung verwendemden Koordinatenachse besitzt.
-
Als weitere Alternative kann für die Koordimatenachse zur
Positions-Erfassumg eine Aussparung oder ein Vorsprung an der
Oberfläche einer Probe ausgebildet werden, oder eine Vielzahl
von Bezugspunktem künstlich mittels Ioneninjektion von Atomen
hergestellt werden. Die Oberflächenstruktur dieser Punkte
kann als Positionskoordimaten verwendet werden, obwohl im
Vergleich mit einer Koordinatenachse, in der die
Atomanordnung verwendet wird, die Genauigkeit dieser
Koordinatenachse geringer ist.
-
Gemäß der vorherstehend beschriebenen Weise kann eine
Positionskoordimate auf einem Aufzeichnungsmedium eingestellt
werden, und bei jedem der Positionskoordinate entsprechenden
Punkt die Aufnahme/Wiedergabe durchgeführt werden. Bei der
tatsächlichen Aufnahme/Wiedergabe ist es jedoch notwendig,
den Startpunkt zu bestimmen. Genauer gesagt ist es notwendig,
einen Ursprung auf der Koordinatenachse zu definieren,
welcher als Bezugspunkt wirkt. Als derartiger Bezugsursprung
kann eine Oberflächenstufe (Aussparung oder Vorsprung) auf
der Koordinatenachse mittels eines Ätzprozesses oder
dergleichen ausgebildet werden. Alternativ kann mittels
Ioneninjektion der Oberflächemzustand des
Aufzeichnungsmediums geändert werden. Wie jedoch bereits beschrieben ist
ihre Genauigkeit zur Verwendung als Ursprung für eine
Koordinatenachse im einer Atomanordnung nicht ausreichend.
Wenn im Fig. 50 der Punkt A auf der Koordimatenachse als
Bezugsursprung ausgewählt wird, so entspricht die Auswahl des
Punktes A der Auswahl des Punktes A' im Aufzeichnungsbereich,
da er in einer eindeutigen positionellen Beziehung mit dem
Punkt A steht. Mit anderen Worten kann die Koordinatenachse
und die Lage der Punkte auf der Koordinatenachse eindeutig
bestimmt werden, wenn der Punkt A' bestimmt werden kann. Zum
Einstellen eines Bezugsursprumgs am Punkt A' bietet sich ein
Verfahren zum Eingeben von Informationen entsprechend eines
Ursprungs beim Pumkt A eher am als ein Verfahren, bei dem
die Aufnahme eingeschrieben wird, da die Genauigkeit höher
und die Herstellung dieses Ursprungs einfacher ist. Die
Anzahl eines derartigen Bezugsursprumgs muß nicht auf einen
beschränkt werden, weshalb eine Vielzahl vom Bezugsursprüngen
gemäß den Anforderungen einer Vergrößerung des
Aufnahmebereiches ausgebildet werden können.
Aufnahmemedium:
-
Für das gemäß diesem Aspekt der Erfindung verwendbare
Aufzeichnungsmedium können solche Materialien verwendet
werden, die hinsichtlich ihrer Strom-/Spannungscharakteristik
ein Speicherumschaltphämomen (elektrischer Speichereffekt)
zeigen. Nachfolgend werden Beispiele hierfür aufgeführt:
-
(1) Amorphe Halbleiter wie beispielsweise Oxidglas,
Boratglas oder Chalcogenidglas mit SE, Te oder As, kombiniert
mit Elementen der Gruppe III, IV, V und VI im Periodensystem.
Diese Materialien sind Eigenhalbleiter mit einem optischen
Bandabstand Eg von 0,6 bis 1,4 eV oder einer elektrischen
Aktivierumgsemergie ΔE von ca. 0,7 bis 1,6 eV. Beispiele für
Chalcogenidglas sind: As-Se-Te-Serien, Ge-As-Se-Serien, Si-
Ge-As-Te-Serien, wie beispielsweise Si&sub1;&sub6;Ge&sub1;&sub4;As&sub5;Te&sub6;&sub5; (Index
bezeichnen Atomprozente), Ge-Te-X-Serien, Si-Te-X-Serien (X =
ein kleiner Betrag der V oder VI Gruppenelemente), wie
beispielsweise Ge&sub1;&sub5;Te&sub8;&sub1;Sb&sub2;S&sub2;. Darüberhinaus kann Ge-Sb-Se-
Serien-Chalcogenidglas verwendet werden.
-
In einer amorphen Halbleiterschicht in der die vorherstehend
beschriebene Verbindung in einer Elektrode vorliegt, kann der
elektrische Speichereffekt des Mediums durch Anlegen einer
Spannung senkrecht zur Filmoberfläche mittels einer
Sondenelektrode hervorgerufen werden.
-
Als Verfahren zum Ausbilden eines derartigen Materials können
alle bekannten Dünnschichtprozesse verwendet werden, um die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ausreichend zu lösen.
Bevorzugte Beispiele für Dünnschicht-Herstellumgsverfahren
sind: Vakuum-Aufdampf-Verfahren und das Cluster-Ionenstrahl-
Verfahren. Normalerweise beobachtet man den elektrischen
Speichereffekt dieser Materialien bei einer Dicke von wenigen
Mikrometern und in Bezug auf die Aufnahme-Auflösung ist ein
dünneres Aufzeichnungsmedium wünschenswert. Vom Standpunkt
der Einheitlichkeit und Aufnahmequalität ist jedoch eine
Dicke von nicht weniger als 100 Angström und nicht mehr als
einem Mikrometer, vorzugsweise nicht größer als 1000
Angström, wünschenswert.
-
(2) Ein organischer Halbleiter, der durch Abscheidung auf
einer Elektrode ein Salz ausbildet, bestehend aus einem
Metall wie beispielsweise Cu oder Ag mit einem relativ
geringen Reduktionspotential und einer Elektron-Akzeptanz-
Verbindung wie beispielsweise Tetrachinondimethan (TCNQ),
TCNQ-Derivate, wie beispielsweise
Tetrafluorotetracyanochinondimethan (TCNQF&sub4;), Tetracyanoethylen (TCNE) und
Tetracyanomaphtochinondimethan (TNAP).
-
Hinsichtlich des Verfahrens zum Ausbilden einer derartigen
organischen Halbleiterschicht kann beispielsweise ein Vakuum-
Abscheide-Verfahren für die vorherstehend beschriebene
Elektronenakzeptanz-Verbindung auf einer Elektrode aus Cu
oder Ag verwendet werden.
-
Der elektrische Speichereffekt eines derartigen organischen
Halbleiters wird bei Dicken unterhalb von mehreren zehn
Mikrometern beobachtet. Vom Standpunkt der Filmherstellungs-
Eigenschaften und der Einheitlichkeit ist jedoch eine Dicke
zwischen 100 Angström bis zu einem Mikrometer wünschenswert.
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(3) Aufzeichnungsmedien bestehend aus amorphen Silicium.
Beispiele für derartige Aufzeichnungsmedien besitzen einen
geschichteten Aufbau von Metall/A-Si
(p&spplus;-Schicht/n-Schicht/i-Schicht) oder Metall/A-Si (n&spplus;-Schicht/p-Schicht/i-Schicht)
Die Abscheidung jeder dieser Schichten von A-Si kann durch
irgendeines der bekannten Verfahren erfolgen. Vorzugsweise
wird in der vorliegenden Erfindung das Glüh-Entladungs-
Verfahren (GD-Verfahrem) verwendet. Hinsichtlich der
Schichtdicke des A-Si-Materials besitzt die n-Schicht vorzugsweise
eine Dicke von 2000 bis 8000 Angström, während jede der i-
Schichten und p&spplus;-Schichten vorzugsweise eine Dicke von ca.
1000 Angström aufweist. Die Gesamtdicke liegt vorzugsweise
zwischen 0,5 bis 1 Mikrometer.
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(4) Aufzeichnungsmedien, die auf einer Elektrode einen
Schichtaufbau vom Molekülen besitzen, die aus einer Gruppe
von π-Elektronwerten und einer Gruppe von nur -
Elektronwerten bestehen.
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Als Aufbau für den für die vorliegende Erfindung geeigneten
Farbstoff mit einem π-Elektronensystem können beispielsweise
enthalten sein: Farbstoffe mit Porphyringerüst wie
beispielsweise Phtalocyanin, Tetraphenylporphyrin, usw.;
Farbstoffe vom Azulentyp mit Squarilium-Gruppe und
Krokonsäuremethingruppe als Verbindungsglied sowie cyaninartige
Farbstoffe mit zwei oder mehreren stickstoffhaltigen
heterozyklischen Ringen wie beispielsweise Chinolin,
Benzothiazol, Benzoxazol, usw. gebunden über eine
Squariliumgruppe und Krokonsäuremethingruppe; oder Cyanin-
Farbstoffe, kondensierte polyzyklisch aromatische
sverbindungen wie beispielsweise Anthracen und Pyren und
Kettenverbindungen, welche durch Polymerisation von
aromatischen Ringverbindungen und heterozyklischen
Verbindungen erhalten wurden; und Polymere von
Diacetylengruppen; ferner Derivate von Tetrachinondimethan
oder Tetrathiafluvalen und ihre Analoge sowie
Ladungstransferkomplexe; und ferner Metallkomplexverbindungen wie
beispielsweise Ferrocen, Tris-Bipyridin-Ruthenium-Komplexe,
usw.
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Zum Ausbilden eines organischen Aufzeichnungsmediums sind
insbesondere Abscheideverfahren, Clusterionenstrahlverfahren
oder dergleichen zu verwenden. Um jedoch die Steuerbarkeit,
Einfachheit und Wiederholbarkeit des Verfahrens zu
gewährleisten, hat sich das LB-Verfahren unter den verschiedenen
herkömmlichen Verfahren als besonders geeignet gezeigt.
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Gemäß diesem LB-Verfahren kann ein Monomolekular-Film oder
sein aufgebauter Film aus einer organischen Verbindung mit,
in einem Molekül einer hydrophobischen Stelle und einer
hydrophilen Stelle auf einfach Weise aus einem Substrat
ausgebildet werden. Somit kann mit einer Dicke in der
Größenordnung von 1 Molekül und über einen weiten Bereich
eine einheitliche und homogene organische superdünne Schicht
stabil und einfach erzeugt werden.
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Das LB-Verfahren ist ein Verfahren zum Ausbilden eines
monomolekularen Films oder eines aufgebauten Films unter
Ausnutzung des Phänomens, daß bei Aufrechterhaltung in der
Molekül struktur mit einer hydrophobischen Stelle und einer
hydrophilen Stelle im Molekül eines geeigneten Gleichgewichts
(amphiphatisches Gleichgewicht), die Moleküle eine
monomolekulare Schicht an der Oberfläche von Wasser mit der
nach unten zeigenden hydrophilen Gruppe ausbilden.
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Hinsichtlich des die hydrophobische Stelle darstellenden
Radikals sind verschiedene hydrophobische Radikale bekannt,
wie beispielsweise weit verbreitete und bekannte gesättigte
und ungesättigte Kohlenwasserstoff-Gruppen, kondensierte
polyzyklische aromatische Gruppen und kettenförmige
polyzyklische Phenyl-Gruppen. Sie können einzeln oder in
Verbindung mit einem hydrophoben Teil vorgesehen sein.
Andererseits sind die typischen Beispiele für die einzelnen
Elemente der hydrophilen Abschnitte hydrophile Radikale wie
beispielsweise Carboxylgruppen, Estergruppen,
Säureamidgruppen, Imidgruppen, Hydroxylgruppen und Aminogruppen
(erster, zweiter und dritter Klasse sowie vierter Klasse)
Ähnlich können auch sie einzeln oder in Kombination die
hydrophilen Abschnitte der Moleküle ausbilden.
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Diese Farbstoffmoleküle können, wenn sie gut ausgeglichene
hydrophobische und hydrophile Stellen besitzen und ein π-
Elektronensystem mit einer geeigneten Größe aufweisen, eine
monomolekulare Schicht an der Oberfläche von Wasser
ausbilden, und sind daher besonders geeignete Materialien für
die vorliegende Erfindung.
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Als besondere Beispiele gelten die nachfolgend beschriebenen
Moleküle.
[I] Krotonsäuremethin-Farbstoffe
-
In den vorherstehend genannten Beispielen bezeichnet R&sub1; eine
langkettige Alkaligruppe entsprechend einer Gruppe mit dem
vorherstehend beschriebenen δ-Elektronenwert, welche zur
einfacheren Ausbildung einer monomolekularen Schicht an der
Wasseroberfläche eingeführt wurde. Die Anzahl der
Kohlenstoffatome n liegt vorzugsweise im Bereich von 0 ≤ n ≤
30. Diese vorherstehend als spezifische Beispiele
aufgeführten Verbindungen zeigen nur einen grundsätzlichen
Aufbau, weshalb verschiedene Ersatzprodukte dieser
Verbindungen selbstverständlich auch in der vorliegenden
erfindung verwendet werden können.
[II] Squarilium-Farbstoffe
-
Eine Verbindung in der eine Krotonsäuremethin-Gruppe der
unter [I] beschriebenen Verbindung durch eine Squarilium-
Gruppe ersetzt wird, hat folgenden Aufbau:
-
[III]Farbstoffverbindungen vom Porphyrintyp
Seltenerdmetallionen
Seltenerdmetallionen
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In diesen Beispielen wurde R zur Erleichterung der Ausbildung
einer monomolekularen Schicht zugeführt, ist jedoch nicht auf
die vorherstehend genannten Ersatzgruppen beschränkt. R&sub1; - R&sub4;
und R entsprechen den vorherstehend genannten Gruppen mit -
Elektronenwert.
[IV] Kondensierte polyzyklische aromatische Verbindung
[V]Diacetylenverbindungen
-
x bezeichnet eine hydrophile Gruppe, wobei normalerweise -
COOH verwendet wird. Es können jedoch auch -OH, -CONH&sub2; oder
dergleichen verwendet werden.
[VI] Weitere Verbindungen
Quinquethienyl
-
Natürlich können auch andere als die vorherstehend genannten
Materialien in der vorliegenden Erfindung verwendet werden,
sofern die Farbstoff-Materialien für das LB-Verfahren
geeignet sind. Beispielsweise können biologische Materialien
(wie z.B. Bakteriorhodopsin oder Cytochrom c), synthetische
Polypeptide (PBLG, usw.) oder dergleichen verwendet werden.
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Der elektrische Speichereffekt dieser Verbindungen mit p-
Elektronenwert wird bei Dicken unterhalb von mehreren zehn
Mikrometern beobachtet. Vom Standpunkt der
Filmherstellungseigenschaften und Einheitlichkeit ist jedoch eine Dicke im
Bereich von 15 bis 2000 Angström wünschenswert.
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Das Substrat zum Tragen der in den Punkten (1) - (4)
beschriebenen Materialien mit dem elektrischen Speichereffekt
sollte die Charakteristika einer Elektrode aufweisen. Es kann
jedoch jedes andere Material verwendet werden, sofern es ein
elektrischer Leiter mit einer Leifähigkeit von zumindest 10&supmin;&sup6;
(Ohm.cm&supmin;¹) aufweist. Somit können eine Vielzahl verschiedener
Materialien verwendet werden. Beispiele hierfür sind: eine
Metallplatte aus beispielsweise Au, Pt, Pd, Ag, Al, In, Sn,
Pb, W oder dergleichen; eine Legierug von geeigneten dieser
Materialien; ein Glas, Keramik oder Kunststoffmaterial auf
dem ein derartiges Metall oder eine derartige Legierung
aufgebracht ist, Si (kristallin, amorph) oder Graphit;
elektrisch leitende Oxide wie beispielsweise ITO oder
dergleichen, usw.
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Das Aufzeichnungsmedium der vorliegenden Erfindung kann aus
einer Kombination eines diesen elektrischen Speichereffekt
aufweisenden Materials und einer Tragebasis (Elektrode)
bestehen. Wenn eine Atomanordnung für die vorherstehend
beschriebene Koordinatenachse verwendet wird, kann die
Atomanordnung eines derartigen einen elektrischen Speichereffekt
aufweisendes Material hinsichtlich der Gleichmäßigkeit bzw.
Regelmäßigkeit schlechter sein, weshalb die Atomanordnung
nicht als Koordinatenachse verwendet werden sollte. Es ist
daher wünschenswert, ein Material mit einer regelmäßigen
Atomanordnung als Unterlage zu verwenden, wie beispielsweise
Metall, kristallines Si oder Graphit, während man einen
Abschnitt in diesem Material definiert, in dem ein den
elektrischen Speichereffekt aufweisendes Material nicht
vorgesehen ist, wodurch eine Atomanordnung dieses Abschnitts
der Grundlage als Koordinatenachse verwendet wird.
Sondenelektrode
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Um eine erhöhte Auflösung bei der Aufnahme, Wiedergabe
und/oder beim Löschen sicherzustellen, ist es notwendig, die
Spitze der Sondenelektrode so scharf wie möglich auszubilden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Sonde durch
mechanisches Schleifen der Spitze eines Wolframdrahtes mit
einem Durchmesser von 1∅ derart ausgebildet, daß sie einen
Konus von 90º aufweist, wobei anschließend durch Anlegen
eines elektrischen Feldes in einem besonders hohen Vakuum die
Oberflächenatome verdampft werden. Die Form der Sonde
beziehungsweise das Verfahren zur Behandlung der Sonde ist
jedoch nicht darauf beschränkt.
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Darüberhinaus ist es nicht immer notwendig, getrennte
Sondenelektroden für die Positionserfassung und für die
Aufnahme/Wiedergabe zu verwenden. Es kann auch eine
gemeinsame Sondenelektrode verwendet werden. Für jede
Positionserfassung und die Aufnahme/Wiedergabe können auch
unterschiedliche Sondenelektroden verwendet werden.
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Fig. 51 zeigt eine schematische Ansicht eines
Aufzeichnungsgerätes gemäß einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind
zwei Sondenelektroden für die Positionserfassung und für die
Aufnahme/Wiedergabe vorgesehen. In Fig. 51 sind mit 7102 und
7103 Sondenelektroden für die Aufnahme/Wiedergabe und für die
Positionserfassung vorgesehen. Obwohl der Abstand zwischen
diesen beiden Sondenelektroden mittels einer
Sondenelektroden-Abstands-Feineinstellung 7112, die ein
piezoelektrisches Gerät verwendet, genau eingestellt werden kann,
befinden sie sich normalerweise in einem festen Abstand
zueinander. Mit 7106 ist ein Sondenstromverstärker und mit
7109 eine Servoschaltung zum Steuern der Feinbewegungs-
Ansteuerglieder 7107 und 7108 bezeichnet, die jeweils ein
piezoelektrisches Gerät verwenden, wodurch der Sondenstrom
konstant gehalten wird. Mit 7113 ist eine Spannungsversorgung
bezeichnet, die zwischen die
Aufnahme/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102 und eine Basis-Elektrode 7104 eine
Impulsspannung zum Aufnehmen/Löschen anlegt.
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Da sich der Sondenstrom stark ändert, wenn die
Impulsspannung angelegt wird, steuert die Servoschaltung 7109 eine
Halteschaltung derart an, daß die Ausgangs spannung während
dieser Zeitdauer konstant gehalten wird.
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Mit 7110 ist eine x-Y-Abtast-Ansteuerschaltung zum
kontrollierten Bewegen der paarweisen Sondenelektroden 7102
und 7103 in den X- und Y-Richtungen bezeichnet. Grob-
Bewegungs-Ansteuerungen 7114 und 7115 werden zur groben
Vorabeinstellung des Abstandes zwischen dem
Aufzeichnungsmedium 7001 und der Sondenelektrode 7102 (7103)
derart verwendet, daß ein Sondenstrom in der Größenordnung
von 10&supmin;&sup9;A erzeugt wird, oder um eine relativ große
Verschiebung zwischen der Sondenelektrode und dem Substrat in
X- und Y-Richtung zu ermöglichen (oberhalb des Bereiches der
Feinbewegungs-Ansteuerung).
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Diese Komponenten werden mittels eines Mikrocomputers 7116
zentral gesteuert. Das ßezugszeichen 7117 bezeichnet eine
Anzeigevorrichtung.
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Die mechanische Funktion in der Bewegungssteuerung mittels
der piezoelektrischen Vorrichtungen erfolgt folgendermaßen:
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Z-Achse-Feinbewegungs-steuerbarer Bereich:
0,1 nm - 1 Mikrometer
-
Z-Achse-Grobbewegungs-steuerbarer Bereich:
10 nm - 10 mm
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X-Y-Abtastbereich:
0,1 nm
- 1 Mikrometer
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X-Y-Grobbewegungs-steuerbarer Bereich:
10 nm - 10 mm
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Toleranz für die Messung und Steuerung:
< 0,1 nm (Feinbewegungssteuerung)
-
Toleranz für die Messung und Steuerung:
< 1 nm (Grobbewegungssteuerung)
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Einzelheiten für die Aufnahme/Wiedergabe gemäß vorliegendem
Ausführungsbeispiel werden nachfolgend insbesondere anhand
von ausgewählten Beispielen beschrieben.
Beispiel 1:
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Im Aufnahme/Wiedergabegerät gemäß Fig. 51 wurde für die
Sondenelektrode 7102 (7103) eine aus Wolfram bestehende
Sondenelektrode verwendet. Die Sondenelektrode 7102 (7103)
ist zum Steuern des Abstandes Z zur Oberfläche des
Aufzeichnungsmediums 7001 vorgesehen, wobei der Abstand Z
einer jeden Sondenelektrode unabhängig voneinander mittels
einer piezoelektrischen Vorrichtung durch Feinbewegung derart
gesteuert werden kann, daß der elektrische Strom konstant
gehalten wird. Darüberhinaus bewirkt die Feinbewegungs-
Ansteuerung auch eine feingesteuerte Bewegung in Richtung
einer Ebene (X-Y), während der Abstand Z konstant gehalten
wird.
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Von den beiden Sondenelektroden wird die Positions-
Erfassungs-Sondenelektrode 7103 zum Erfassen der
Atomanordnung auf der Basis bzw. Grundplatte 7105 verwendet,
welche als Positionskoordinatensystem wirkt. Andererseits
wird die Aufnahme/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102 in Bezug
zur Positions-Erfassungs-Sondenelektrode 7103 in der X- und
Y-Richtung auf einer festen Position gehalten (, wobei die
Zwischenabstände mittels der Sondenelektroden-Abstands-
Feineinstellungsvorrichtung 7112 eingestellt werden können,),
und wird für das Aufzeichnen/Wiedergeben und/oder Löschen auf
der Aufzeichnunsschicht 7101 verwendet.
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Während diese beiden Sondenelektroden in der X- und-Y-
Richtung innerhalb einer Ebene mittels einer Feinbewegungs-
Ansteuerung als eine Einheit bewegt werden können, können sie
in der Z-Richtung unabhängig voneinander mittels einer
Feinbewegungsvorrichtung angesteuert werden. Das
Aufzeichnungsmedium 7001 befindet sich auf einem hochpräzisen X-Y-
Tisch 7118 und kann in eine gewünschte Position bewegt werden
(X-Y-Grobbewegungs-Ansteuerung). Die Richtungen X und Y der
Grobbewegungs-Ansteuerung und die Richtungen X und Y der
Feinbewegungs-Ansteuerung können innerhalb eines bestimmten
Fehlerbereichs übereinstimmen, der vom Präzisionsunterschied
zwischen diesen beiden Bewegungssteuermechanismen abhängt.
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Einzelheiten des in dem vorliegenden Beispiel verwendeten
Aufzeichnungsmediums werden nachfolgend beschrieben. Die Fig.
52 zeigt den Aufbau des Aufzeichnungsmediums. Ein P-Typ Si-
Wafer (B-dotiert 0,3 mm Dicke) mit einem Durchmesser von 1/2
Inch und mit einer (111) belichteten Ebene wird als Substrat
7105 verwendet. Das Substrat ist entlang einer Linie B - B'
abgeschnitten, wodurch man eine im wesentlichen konstante
Ausrichtung erhält, wenn es auf den X-Y-Tisch 7118 des
Aufnahme-/Wiedergabegerätes gelegt wird. Die Richtung B - B'
ist im wesentlichen zu der [211]-Richtung des Si-Kristalls
parallel. Nachfolgend wird an einer Stelle im Abstand von 1
mm vom Mittelpunkt der Seitenlinie B - B' zum Zentrum der
Grundplatte ein Abschnitt der Grundplatte in einem
quadratischen Bereich von 1 Mikrometer und 0,2 Mikrometer
Tiefe geätzt, wodurch ein Bezugsursprung (grob) 7201
ausgebildet wird. Das Verfahren zum Ausbilden eines
derartigen Bezugsursprungs (grob) wird nachfolgend
beschrieben.
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Als erstes wird die Oberfläche einer Si-Grundplatte mit
Polymethyl-Methacrylat (PMMA; Markenzeichen "OEBER-1000"
hergestellt bei Tokyo Ohka Kgyo, inc. Japan), welches ein
Elektronenstrahl-Resistmaterial ist. Anschließend wird ein
Elektronenstrahl mit einem Durchmesser von 0,1 Mikrometer mit
einer Beschleunigungsspannung von 20 keV auf die Grundplatte
gerichtet, wodurch ein quadratisches Muster der Größe von 1
Mikrometer gezeichnet wird. Nachfolgend wird mittels einer
bestimmten Entwicklungsflüssigkeit der mit dem
Elektronenstrahl bestrahlte Abschnitt entwickelt. Zum Ätzen verwendet
man ein gemischtes Gas von CF&sub4; und H&sub2;, wobei für 20 Minuten
ein Sputter-Atzen mit einem Druck von 3pa und einer
elektrischen Entladeleistung von 100W durchgeführt wird. Die
Ätztiefe beträgt 0,2 Mikrometer. Abschließend wird mittels
Methyl-Ethylketon das PMMA gelöst.
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Nachfolgend wird nach der Maskierung des Substrat-Abschnitts
in der Nähe des Bezugsursprungs (grob) 7201 mittels einem
Vakuum-Abscheide-Verfahren Cr bis zu einer Dicke von 50
Angström abgeschieden, wodurch eine Untergrundschicht
ausgebildet wird. Darüberhinaus wird mit dem gleichen
Verfahren Au mit einer Dicke von 400 Angström abgeschieden,
wodurch man eine Basiselektrode 7104 erhält.
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Nachfolgend wird auf dieser Au-Elektrode ein LB-Film (acht
Schichten> von Squarilium-bis-6-Oktylazulen (nachfolgend
vereinfacht als "SOAZ" bezeichnet) geschichtet, wodurch eine
Aufzeichnungsschicht 7101 geschaffen wird. Einzelheiten des
Verfahrens zum Ausbilden einer derartigen
Aufzeichnungsschicht werden nachfolgend beschrieben.
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Als erstes wird eine Benzenlösung, in der SOAZ mit einer
Konzentration von 0,2 mg/ml gelöst ist, auf die Oberfläche
von Wasser mit einer Temperatur von 20ºC aufgesprüht, wodurch
auf der Wasseroberfläche ein monomolekularer Film ausgebildet
wird. Nach der Verdampfung des Lösungsmittels wird der
Oberflächendruck des monomolekularen Films auf 20mN/m erhöht
und, während er konstant gehalten wird, die Grundplatte
langsam und wiederholt in der Richtung zur Wasseroberfläche
und mit einer Geschwindigkeit von 3mm/min eingetaucht und
herausgezogen, wobei ein Acht-Schichten aufgebauter Film aus
einem SOAZ-monomolekularem Film auf der Grundelektrode 7104
ausgebildet wird. Unter Verwendung des wie vorherstehend
ausgebildeten Aufzeichnungsmedium 7001 wurden die Aufnahme-
/Wiedergabe-Experimente gemacht.
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Die Einzelheiten werden nachfolgend beschrieben:
-
Das Aufzeichnungsmedium 7001 mit einer aus acht SOAZ-
Schichten akkumulierten Aufzeichnungsschicht 7101 wird auf
dem X-Y-Tisch 7118 mit der Abkantung des Substrats des
Aufzeichnungsmediums 1 (B - B') in Bezug auf eine
vorbestimmte Richtung ausgerichtet.
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Nachfolgend wird die Positions-Erfassungs-Sondenelektrode
7102 an eine um einen Millimeter von der Seitenlinie B - B'
beabstandeten Position auf dem Substrat nach innen bewegt und
während eine Sondenspannung von 0,6 V zwischen die Positions-
Erfassungs-Sondenelektrode und das 51-Substrat 7105 gelegt
ist, und nachdem die X-Richtung mittels der
X-Y-Feinbewegungsansteuerung (7110, 7111) zeitweise derart ausgerichtet
wird, daß sie im wesentlichen parallel zur Richtung B - B'
ist, eine X-Richtungs-Abtastung über die Länge von 1
Mikrometer durchgeführt. Danach wird eine Y-Richtungs-
Abtastung (senkrecht zur X-Richtung) über die Länge von 1
Mikrometer durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Messung
des Oberflächenzustands so lange wiederholt, während die Art
der X-Y-Koordinatenachsen-Bestimmung unterschiedlich
verändert wurde, bis eine Einstellung gefunden wurde, bei der
die Gradeinteilung der erhaltenen Si-Atomanordnung möglichst
nahe an 6,65 Angström und 3,84 Angström heranreicht. Gemäß
dieser Einstellung kann die X-Achse der X-Y-Feinbewegungs-
Ansteuerung mit der [211]-Richtung des Si-Substrats
ausgerichtet werden, während die Y-Achse mit der [011]-
Richtung ausgerichtet werden kann. Gleichzeitig wird die
Einstellung der X- und Y-Richtungen der Grobbewegungs-
Ansteuerung derart durchgeführt, daß sie mit der X- und Y-
Richtung der eingestellten Feinbewegungsansteuerung innerhalb
eines Steuerfehlerbereichs der Grobbewegungs-Ansteuerung
übereinstimmt. Hinsichtlich der X- und Y-Richtungen wird die
Grob-Bewegungsansteuerung nachfolgend verwendet, um die
Positionserfassungs-Sondenelektrode abzutasten und die
Position des Bezugs-Ursprungs (grob) 7201 zu erfassen.
Daraufhin wird an einer in Y-Achsen-Richtung beabstandeten
Position von 2 Millimetern vom Mittelpunkt des
bezugsursprungs (grob) 7201 zum Mittelpunkt des Substrats und
mittels der Feinbewegungs-Ansteuerung der Si-Gitterpunkt
erfaßt. Die Position dieses Gitterpunktes (Punkt C in Fig.
53) wird als Koordinatenachsenursprung 7301 verwendet, und
die Positionserfassungs-Sondenelektrode 7103 tastet in X-
Richtung ([211] - Richtung) ab. Durch Überprüfung eines jeden
Gitterpunktes in [211]-Richtung des Si, erfolgt in Bezug auf
die Richtungs-Steuerkorrektur und die Positions-Koordinaten
(Gitterabstand) eine Bestätigung. Gemäß Fig. 53 stellt jeder
mit 7302 bezeichnete Punkt (d.h. jeder Gitterpunkt) einen
Repräsentanten von 10 Gitterpunkten dar. Es sei angenommen,
daß während der vorherstehend beschriebenen Arbeitsweise die
Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102 entsprechend der
Bewegung der Positionserfassungs-Sondenelektrode 7103 über
die Oberfläche der Aufzeichnungsschicht 7101 bewegt wird.
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Im vorliegenden Beispiel beträgt der Abstand zwischen den
beiden Sondenelektroden in Y-Achsenrichtung 3 mm. Während die
Aufnanme-/Wiedergabe-Elektrode 7102 zum Durchführen der
gewünschten Informationsaufzeichnung verwendet wurde, wurde
vor dem tatsächlichen Aufzeichnen ein Bezugsursprung (fein)
7303 an einer der Position des Koordinatenachsenursprungs
7301 entsprechenden Aufzeichnungsposition (Punkt C' in Fig.
53) ausgebildet.
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Ein derartiger Bezugsursprung (fein) kann mittels des
elektrischen Speichereffekts der Aufzeichnungsschicht 7101
ausgebildet werden. Genauer gesagt wird zwischen die
Aufnahme-/Wiedergabeelektrode 7102 und die Au-Elektrode 7104
eine Sondenspannung von 1,0 V angelegt und mittels der Z-
Achsen-Richtungs-Feinbewegungsansteuerung 7107 der Abstand Z
zwischen der Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102 und
der Oberfläche der Aufzeichnungsschicht 7101 derart
eingestellt, daß der Sondenstrom Ip 10&supmin;&sup9; A beträgt.
Nachfolgend wird während die
Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode
7102 an eine positive Seite und die Au-Elektrode
7104 an eine negative Seite angelegt wird, eine
Rechtecklmpulsspannung (18 V, 0,1 msek), welche größer als die
Schwellwertspannung Vth ON ist, zum Erzeugen des "Ein"-
Zustandes angelegt, wodurch das elektrische Speichermaterial
(SOAZ, 8-Schichten LB-Film) in einen Zustand mit niedrigem
Widerstand gebracht wird (Ein-Zustand). Während der Abstand Z
zwischen der Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102 und
der Aufzeichnungsschicht 7101 konstant gehalten wird, wird
zwischen die Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102 und
die Au-Elektrode 7104 eine Sondenspannung von 1,0 V angelegt.
Der Sondenstrom Ip wird gemessen und es erfolgt die
Bestätigung, daß ein elektrischer Strom von ca. 0,5 mA
fließt, wodurch der "Ein"-Zustand eingestellt ist. Durch die
vorherstehend beschriebene Arbeitsweise wird der
Bezugsursprung (fein) 7303 bestimmt. In diesem Fall wird der
Bereich auf der Aufzeichnungsschicht mit einer quadratischen
Größe von 10nm in den "Ein"-Zustand gebracht, wodurch eine
vermischte Wiedergabe (Fig. 53) der Ursprungs-
Positionsinformation in Bezug auf den Bezugsursprung (fein)
7303 und der nachfolgend aufgezeichneten
Aufzeichnungsinformation verhindert wird. Die Form des
Bezugsursprungs (fein) 7303 ist jedoch nicht auf die Form des
vorliegenden Beispiels beschränkt.
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Nachfolgend tastet die Positions-Erfassungs-Sondenelektrode
7103 in der [211]-Richtung ab, während jeweils bei
15-Gradeinteilungspunkten (9,98nm) die Gitterpunkte überprüft
werden, wobei die Aufzeichnung mittels der sich gleichzeitig
damit bewegenden Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 7103
durchgeführt wird. Somit wird die Gradeinteilung der
Aufzeichnungspunkte 7304 auf 9,98nm (Fig. 53) eingestellt.
Die Aufzeichnung wird gemäß einem dem Ausbilden des
Bezugsursprungs (fein) 7303 ähnlichen Verfahren durchgeführt,
wobei auf der Aufzeichnungsschicht (SOAZ, 8-Schichten LB-
Film) 7101 der "Ein"-Zustand und der "Aus"-Zustand
(hochohmiger Zustand vor der Aufzeichnung) definiert wird.
Das Aufzeichnungsmedium mit einer gemäß dem vorherstehend
genannten Verfahren ausgebildeten Aufzeichnung wurde von dem
Aufnahme-/Wiedergabe-Gerät entfernt und anschließend wieder
auf dem X-Y-Tisch 7118 gelegt, wonach Wiedergabeexperimente
durchgeführt wurden. Als erstes wurden wie beim Aufzeichnen
die X- und Y-Richtungen des Positionssteuersystems
ausgerichtet, wobei die Si-Gitter mit der [211]-Richtung und
der [011]-Richtung entsprechend verwendet wurden. Nachfolgend
wurde in Bezug auf die X- und Y-Richtungen die Grobbewegungs-
Ansteuerung zum Abtasten mit der
Positions-Erfassungs-Sondenelektrode 7103 verwendet, und die Position des
Bezugs-Ursprungs (grob) 7201 erfaßt. Auf der Grundlage des erfaßten
Bezugsursprungs (grob) 7201 wurden die Grobbewegungs- und
Feinbewegungs-Ansteuerungen zum Abtasten der
Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102 verwendet und die Position
des Bezugsursprungs (fein) 7303 erfaßt.
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Zum Zeitpunkt an dem die Positions-Erfassungs-Sondenelektrode
7103 den Si-Gitterpunkt (Positionskoordinaten-Achsenursprung
7301> erreicht, erfolgt eine Bestätigung. Wenn ein Abweichung
vorliegt, kann die Feinbewegungs-Ansteuerung zum Korrigieren
des X-Y-Koordinatensystems verwendet werden, wodurch die
Positions-Erfassungs-Sondenelektrode 7103 und der Si-
Gitterpunkt in Übereinstimmung miteinander gebracht werden
können. Anschließend wird zwischen die Positions-Erfassungs-
Sondenelektrode 7103 und die Au-Elektrode 7104 eine
Sondenspannung von 0,6V angelegt und, während die Positionen
der Si-Gitterpunkte erfaßt werden, die Positions-Erfassungs-
Sondenelektrode in [211]-Richtung abgetastet
(X-Achsenrichtung). Zu diesem Zeitpunkt wird zwischen die Au-Elektrode
7104 und die Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102,
welche gleichzeitig miteinander bewegt werden, eine
Sondenspannung von 1,0V angelegt und die Wiedergabe der
aufgezeichneten Informationen mittels (i) direktem Lesen der
Änderungen im Sondenstrom auf der Grundlage der "Ein"
Zustände oder der "Aus"-Zuständ bei jedem Aufzeichnungspunkt
oder alternativ mittels (ii) dem Lesen der Änderungen des
Abstandes Z zwischen der Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode
7102 und der Oberfläche der Aufzeichnungsschicht 7101
durchgeführt, wobei während der Abtastung mit der Aufnahme-
/Wiedergabe-Sondenelektrode 7102 ein Sondenstrom Ip konstant
gehalten wird.
-
Entsprechend der vorherstehend genannten
Wiedergabeexperimente betrug die Bit-Fehlerrate 2 x 10&supmin;&sup6;.
-
Zusätzlich wurde eine Sondenspannung, welche größer als eine
Schwellwertspannung Vth OFE ist, bei der das elektrische
Speichermaterial von einem "Ein"-Zustand in einen "Aus"-
Zustand wechselt, auf 10V eingestellt, und die
Aufzeichnungspositionen erneut festgestellt. Als Ergebnis konnte bestätigt
werden, daß alle Aufzeichnungen gelöscht wurden, und ein
Übergang in den "Aus"-Zustand stattgefunden hatte.
Beispiel 2
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Anstelle des im Beispiel 1 verwendeten SOAZ-Vierschicht-LB-
Films wird zum Schaffen einer Aufzeichnungsschicht 7101
CUTCNQF&sub4; verwendet. Die Aufzeichnungs- und
Wiedergabeexperimente wurden auf ähnliche Weise wie im Beispiel 1
durchgeführt,
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Als die beim Aufzeichnen angelegte elektrische Spannung wird
ein Rechteck-Impuls von 2 Vmax und 10 ns verwendet, und die
bei der Wiedergabe angelegte elektrische Spannung auf 0,1 V
eingestellt. Für die beim Löschen angelegte elektrische
Spannung wird ein Rechteckimpuls von 5 Vmax und 100 ns
verwendet. Der Aufzeichnungsabstand beträgt 99,8 nm (150 Si
Gitterabstandspunkt) wobei die Größe des Bezugsursprungs
(fein) 7303 auf ein Quadrat von 0,1 Mikrometern geändert
wurde. Entsprechend den Ergebnissen der Wiedergabe-
Experimente betrug die Bit-Fehlerrate 1 x 10&supmin;&sup9;.
-
Das Verfahren zum Ausbilden einer CuTCNQF&sub4;-
Aufzeichnungsschicht 7101 wird nachfolgend beschrieben.
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Auf der Au-Elektrode 7104 wurden mittels einem Vakuum-
Abscheideverfahren gemeinsam Cu und TCNQF&sub4; aufgebracht und
eine Cu+TCNQF&sub4;-Schicht mit einer Dicke von 2000 Angström
(Substrat-Temperatur: Zimmertemperatur) abgeschieden.
Gleichzeitig wurde ein elektrischer Strom zum Einstellen der
Abscheidegeschwindigkeit von ca. 5 Angström/Sekunde für Cu
und 20 Angström/Sekunde für TCNQF&sub4; angelegt, wobei geheizt
wurde. Als Ergebnis hat sich hierbei aufgrund der Produktion
von CUTCNQF&sub4; ein blauer Film abgeschieden.
Beispiel 3
-
In Beispiel 1 wurden die Sondenelektrodne 7102 und 7103 nicht
nur in der X-Richtung ([211]-Richtung) abgetastet sondern
auch in der Y-Richtung ([0111]-Richtung), wodurch die
Aufzeichnung zweidimensional erfolgte. Gleichzeitig wurde der
Aufzeichnungsabstand in der Y-Richtung auf 11,5 nm (für jeden
Si-Gitterpunkt) eingestellt. Bei ähnlichen Wiedergabe-
Experimenten wurde ein Bit-Fehlerrate von 3 x 10&supmin;&sup6;
festgestellt.
Beispiel 4
-
In Beispiel 1 wurde das Substrat 7105 durch einen Ga-As-Wafer
und die Aufzeichnungsschicht 7101 durch einen 8-Schichten-LB-
Film eines t-Butyl-Ersatzproduktes von Siliciumchlorid-
Phtalocyanin (PcSiCl&sub2;) ersetzt. Mit Ausnahme dieser Punkte
entspricht das vorliegende Beispiel im wesentlichen dem
Beispiel 1, wobei Aufnahme-/Wiedergabe-Experimente auf
gleiche Weise durchgeführt wurden. Nachfolgend erfolgt die
Beschreibung anhand der Unterschiede im Vergleich zum
Beispiel 1. Der Aufbau des Aufzeichnungsmediums 1 entspricht
dem in Fig. 52 dargestellten Aufbau. Als Substrat wurde ein
P-Typ Ga-As-Wafer (Zn-Dotierung, 0,3 mm Dicke) mit einem
Durchmesser von 1/2 Inch und einer (110) Belichtungsebene
verwendet. Die Richtung B - B' des Substratausschnitts ist im
wesentlichen parallel zur [001]-Richtung des Ga-As-Kristalls.
-
Vom Mittelpunkt der Seite B - B' zum Zentrum des Substrats
wurde eine Ätzung in der Größe eines Quadrats von 1
Mikrometer und einer Tiefe von 0,2 Mikrometer ausgeführt,
wodurch ein Bezugsursprung (grob) ausgebildet wird.
-
Nachfolgend wird das Verfahren zur Ausbildung eines
derartigen Bezugsursprungs (grob) beschrieben.
-
Als erstes wird ein ultraviolettes-Strahlenresist
(Markenzeichen: "AZ 1350") auf die Oberfläche des Ga-As-
Substrats mit einer Dicke von 1 Mikrometer aufgebracht und
nach einer thermischen Vorbehandlung eine Maske entsprechend
der Form gemäß Fig. 52 verwendet. Daraufhin wurde die
Belichtung mit ultraviolettem Licht, die Entwicklung und das
Nachbacken durchgeführt. Entsprechend wurde ein Maskenmuster
auf dem Ga-As-Substrat ausgebildet. Nachfolgend wurde mittels
eines BCl&sub3;-Gases ein Sputterätzen für 3 Minuten durchgeführt,
wobei der Gasdruck 1Pa und die Entladespannung 100 W betrug.
Die resultierende Ätztiefe beträgt 0,2 Mikrometer. Das AZ
1350-Material der Maske wurde mittels Acetonreinigung
beseitigt.
-
Ähnlich wie in Beispiel 1 wurde eine Cr/Au-Basiselektrode
7104 auf dem derart hergestellten Substrat ausgebildet und
anschließend auf der Basiselektrode 7104 ein 8-Schichten-LB-
Film aus einem t-Butyl-Ersatzprodukt von Siliciumchlorid-
Phtalocyanin (PcSiCl&sub2;) aufgebaut, wodurch eine
Aufzeichnungsschicht 7101 geschaffen wird. Die Bedingungen zum Ausbilden
der Aufzeichnungsschicht sind wie folgt:
-
Lösungsmittel: CH&sub3;CCl&sub3;
-
Konzentration der Lösung: 1mg/ml
-
Wässerige Phase: pH 8,2 (reines Wasser
eingestellt durch NaOH)
-
Wasseroberflächendruck: 25 mN/m
-
Vertikale
Bewegungsgeschwindigkeit des Substrats: 5 mm/Minute
(Z-Typ Akkumulation)
-
Mit dem vorherstehend beschriebenen Aufzeichnungsmedium 7001
wurden Aufnahme-/Wiedergabe-Experimente durchgeführt.
-
Als erstes wurde in Bezug auf die Einstellung des
X-Y-Koordinatensystems die X-Achsen und Y-Achsen in [001]-Richtung und
[110]-Richtung des Ga-As-Kristalls eingestellt. Da der
Abstand der Koordinatenachsen zu diesem Zeitpunkt auf dem Ga-
Ga interatomaren Abstand beruht, ergibt sich für die [001]-
Richtung 5,65 Angström und für die [110]-Richtung 400
angström. Die Aufzeichnung wurde mit einem 10,17 nm-Abstand
(jeweils 18 Ga-Gitterpunkte) in X-Richtung und mit einem 12
nm-Abstand (jeder 30. Ga-Gitterpunkt) in der Y-Richtung
durchgeführt. Die Wiedergabe-Experimente wurden in gleicher
Weise wie im Beispiel 1 durchgeführt, wobei sich ein
Bit-Fehlerrate von 3 x 10&supmin;&sup6; ergab.
Beispiel 5
-
In Beispiel 2 wurde die Aufzeichnungsschicht 7101 durch einen
Film von amorphem Halbleitermaterial ersetzt, der durch das
Atomzusammensetzungsverhältnis Si&sub1;&sub6;Ge&sub1;&sub4;As&sub5;Te&sub6;&sub5; beschrieben
ist, wobei zur Herstellung einer Dicke von 20 Angström ein
bekanntes Vakuum-Abscheideverfahren verwendet wird. Auf
ähnliche Weise wie in Beispiel 2 wurden
Aufnahme-/Wiedergabe-Experimente durchgeführt. Die Aufzeichnungsspannung, die
Wiedergabespannung und die Löschspannung wurden jedoch auf
einen Rechteckimpuls von 20 Vmax, 0,1 Mikrosekunde; eine
Spannung von 1,0 V und einen Rechteckimpuls von 50 Vmax, 10
Mikrosekunden geändert.
-
Der Aufzeichnungsabstand betrug 96,05 nm (jeweils 160 Ga-
Gitterpunkte) in der X-Richtung und 120 nm (jeweils 300 Ga-
Gitterpunkte) in der Y-Richtung. Die Größe des
Bezugsursprungs (fein) wurde auf ein Quadrat von 0,1
Mikrometer geändert. Als Ergebnis der Wiedergabe-Experimente
ergab sich eine Bit-Fehlerrate von 1 x 10&supmin;&sup9;.
-
Fig. 54 zeigt eine schematische Ansicht eines Aufzeichnungs-
Geräts gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. In Fig. 54 ist mit 8105 bin
Sondenstromverstärker und mit 8106 eine Servoschaltung zum Steuern
einer Feinbewegungs-Ansteuerung 8107 bezeichnet, welche eine
piezoelektrische Vorrichtung verwendet, um den Sondenstrom
konstant zu halten. Mit 8108 ist eine elektrische Leistungs-
Versorgung zum Anlegen einer Aufnahme-/Lösch-Impulsspannung
zwischen eine Sondenelektrode 8102 und eine Elektrode 8103
bezeichnet. Da sich der Sondenstrom grundlegend mit der
angelegten Impulsspannung ändert, steuert die Servoschaltung
8109 eine Halteschaltung derart an, daß die Ausgangspannung
während der Zeitperiode konstant gehalten wird.
-
Mit 8109 ist eine X-Y-Abtastansteuerschaltung zum steuerbaren
Bewegen der Sondenelektrode 8102 in der X- und Y-Richtung
vorgesehen. Grobbewegungs-Ansteuerungen 8110 und 8111 werden
verwendet, um den Abstand zwischen dem Aufzeichnungsmedium
8001 und der Sondenelektrode 8102 vorab und grob derart
einzustellen, daß ein Sondenstrom in der Größenordnung von
10&supmin;&sup9; A erzeugt wird, oder um eine relativ große Verschiebung
zwischen der Sondenelektrode und dem Substrat in der X- und
Y-Richtung (oberhalb des Bereichs der Feinbewegungs-
Ansteuerung) zu bewirken.
-
Diese Komponenten sind mittels eines Mikrocomputers 8112
zentral gesteuert. Das Bezugszeichen 8113 bezeichnet eine
Anzeigevorrichtung.
-
Die mechanische Funktion bei der Bewegungssteuerung mittels
der piezoelektrischen Vorrichtungen erfolgt folgendermaßen:
-
Z-Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerbereich:
0,1 nm - 1 Mikrometer
-
Z-Achsen-Grobbewegungs-Ansteuerbereich:
10 nm - 10 mm
-
X-Y-Abtastbereich:
0,1 nm - 1 Mikrometer
-
X-Y-Grobbewegungs-Ansteuerbereich:
10 nm - 10 mm
-
Toleranz für die Messung und Steuerung:
< 0,1 nm
(Feinbewegungssteuerung)
-
Toleranz für die Messung und Steuerung:
< 1 nm
(Grobbewegungssteuerung)
-
Die Einzelheiten für die Aufnahme/Wiedergabe beim
vorliegenden Ausführungsbeispiel werden nachfolgend
insbesondere anhand von einigen Beispielen beschrieben.
Beispiel 6
-
Als Aufnahme-/Wiedergabegerät wurde das in Fig. 54 gezeigte
Gerät verwendet, wobei als Sondenelektrode 8102 eine aus
Wolfram bestehende Sondenelektrode verwendet wurde. Die
Sondenelektrode 8102 ist zum Steuern des Abstandes Z zur
Oberfläche des Aufzeichnungsmediums 8001 vorgesehen, wobei
der Abstand Z der Sondenelektrode mittels Feinbewegung derart
gesteuert werden kann, daß der elektrische Strom konstant
gehalten wird. Darüberhinaus ist eine Feinbewegungs-
Ansteuerung zum Durchführen einer Feinbewegungs-Steuerung in
der Richtung innerhalb einer Ebene (X-Y) vorgesehen, wobei
der Abstand Z konstant gehalten wird.
-
Die Sondenelektrode 8102 wird zum Erfassen der Position in
der relativen Richtung innerhalb der Oberfläche des
Aufzeichnungsmediums verwendet, sowie für das Aufzeichnen,
Wiedergeben und Löschen. Das Aufzeichnungsmedium 8001 wird
auf einen Hochpräzisions-X-Y-Tisch 8114 gelegt und kann zu
einer gewünschten Position bewegt werden (X-Y-Grobbewegungs-
Ansteuerung). Die X- und Y-Richtungen der
Grobbewegungs-Ansteuerung und die X- und Y-Richtungen der Feinbewegungs-
Ansteuerung stehen miteinander in Einklang innerhalb eines
Fehlerbereichs, der vom Genauigkeitsunterschied zwischen
diesen beiden Bewegungs-Ansteuerungen herrührt.
-
Die Einzelheiten des in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
verwendeten Aufzeichnungsmediums werden nachfolgend
beschrieben. Der Aufbau eines derartigen Aufzeichnungsmediums
ist in den Fig. 55A und 55B gezeigt. Die Fig. 55A zeigt eine
Draufsicht eines in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
verwendeten Aufzeichnungsmediums, während Fig. 55B eine
Schnittansicht entlang einer Linie A - A' zeigt. l
-
Als Substrat 8104 wurde ein P-Typ Si-Wafer (B-Dotierung, 0,3
mm Dicke) mit einem Durchmesser von 1/2 Inch und einer (111)
Belichtungsebene verwendet. Das Substrat wurde entlang einer
Linie B - B' abgeschnitten, wodurch man eine im wesentlichen
konstante Ausrichtung erhält, wenn es auf den X-Y-Tisch 8114
des Aufnahme-/Wiedergabegeräts gelegt wird. Die Richtung B
- B' ist im wesentlichen parallel zu der [211]-Richtung des 51-
Kristalls. Nachfolgend wird an der Stelle mit einem Abstand
von 1 mm vom Mittelpunkt der Seitenlinie B - B' zum Zentrum
der Grundplatte hin ein Abschnitt in einem Bereich von einem
Quadrat von 1 Mikrometer und einer Tiefe von 0,2 Mikrometer
aus der Grundplatte heraus geätzt, wodurch ein Bezugsursprung
(grob) ausgebildet wird.
-
Das Verfahren zum Ausbilden eines derartigen Bezugsursprungs
(grob) ist im wesentlichen das gleiche wie in Beispiel 1
beschrieben.
-
Die Art und Weise des Herstellens der Basiselektrode 8103 und
der Aufzeichnungsschicht 8101 entspricht im wesentlichen der
Art und Weise, wie sie gemäß Fig. 52 beschrieben wurde.
-
Unter Verwendung des wie vorherstehend beschrieben
ausgebildeten Aufzeichnungsmediums 8001 wurden
Aufnahme-/Wiedergabe-Experimente durchgeführt.
-
Die Einzelheiten werden nachfolgend beschrieben:
-
Das Aufzeichnungsmedium 8001 mit einer Aufzeichnungsschicht
8101 bestehend aus akkumulierten 8 SOAZ-Schichten wird mit
dem Ausschnitt (B - B') des Substrats des
Aufzeichnungsmediums 8001 auf den X-Y-Tisch 8114 gelegt, wodurch es in
einer vorbestimmten Richtung ausgerichtet wird. Nachfolgend
wird die Sondenelektrode 8102 zu einer auf dem Substrat von
der Seitenkante B - B' um 1 mm nach innen beabstandeten
Position bewegt und, während zwischen die Sondenelektrode und
das Si-Substrat 8104 eine Sondenspannung von 0,6 V angelegt
wird, und die X-Richtung der X-Y-Feinbewegungs-Ansteuerung
(8107, 8109) im wesentliChen parallel zur Richtung B - B'
zeitweise ausgerichtet wurde, eine Abtastung über eine Länge
von 1 Mikrometer in X-Richtung durchgeführt. Nachfolgend wird
eine Abtastung in Y-Richtung (senkrecht zur X-Richtung) über
eine Länge von 1 Mikrometer durchgeführt. Gleichzeitig wird
die Messung des Oberflächenzustands wiederholt, während die
X-Y-Koordinatenachsen unterschiedlich geändert werden, wobei
die Einstellung derart erfolgt, daß die Abstände der
erhaltenen Si-Atomanordnungen möglichst nahe bei 6,65
Angström und 3,84 Angström liegen. Mit einer derartigen
Einstellung steht die X-Achse der X-Y-Feinbewegungs-
Ansteuerung mit der [211]-Richtung des Si-Substrats in
Einklang, während ihre Y-Achse mit der [011]-Richtung
übereinstimmt. Gleichzeitig erfolgt eine Einstellung, so daß
die X- und Y-Richtung der Grobbewegungs-Ansteuerung mit der
X- und Y-Richtung der eingestellten Feinbewegungs-Ansteuerung
innerhalb eines Steuerfehlerbereichs der Grobbewegungs-
Ansteuerung übereinstimmen. Nachfolgend wurde in Bezug auf
die X- und Y-Richtung die Grobbewegungs-Ansteuerung zum
Abtasten der Sondenelektrode verwendet, und die Position des
Bezugsursprungs (grob) 8201 erfaßt.
-
Im Abstand von 2 mm in Y-Achsenrichtung vom Zentrum des
Bezugsursprungs (grob) in Richtung zum Zentrum des Substrats
wird ein Bezugsursprung (fein) 8202 ausgebildet.
-
Ein derartiger Bezugsursprung (fein) kann mittels des
elektrischen Speichereffekts der Aufzeichnungsschicht 8101
ausgebildet werden. Genauer gesagt, wird zwischen die
Elektrode 8102 und die Au-Elektrode 8103 eine Sondenspannung
von 1,0 V angelegt und mittels der
Z-Achsenrichtung-Feinbewegungs-Ansteuerung 8107 der Abstand Z zwischen der
Sondenelektrode 8102 und der Oberfläche der Aufzeichnungsschicht
8101 derart eingestellt, daß ein Sondenstrom Ip von 10&supmin;&sup9; A
vorliegt. Während die Sondenelektrode 8102 an eine positive
Seite und die Au-Elektrode an eine negative Seite gelegt
wird, wird nachfolgend eine Rechteckimpulsspannung (18 V, 0,1
Mikrosekunden), welche größer als die Schwellenspannung Vth
ON ist, und welche das elektrische Speichermaterial (SOAZ, 8
Schichten LB-Film) in einen niederohmigen Zustand ("Ein"-
Zustand) ändert, zum Erzeugen eines "eint"-Zustands angelegt.
während der Abstand Z zwischen der Sondenelektrode 8102 und
der Aufzeichnungsschicht 8101 konstant gehalten wird, wird
zwischen die Sondenelektrode 8102 und die Au-Elektrode 8103
eine Sondenspannung von 1,0 V angelegt. Der Sondenstrom Ip
wird gemessen und es erfolgt eine Bestätigung, daß ein
elektrischer Strom ca. 0,5 mA beträgt und der "Ein"-Zustand
erreicht wurde. Mittels der vorherstehend beschriebenen
Operation wurde der Bezugsursprung (fein) 8202 bestimmt. In
diesem Fall wurde ein Bereich mit der Größe eines Quadrats
von 10 nm auf der Aufzeichnungsschicht in den "Ein"-Zustand
gebracht, um ein vermischtes Wiedergeben (Fig. 56) der
Ursprungspositionsinformation in Bezug auf den Bezugsursprung
(fein) 8202 und der Aufzeichnungsinformation zu verhindern.
Die Form des Bezugsursprungs (fein) 8202 ist jedoch nicht auf
die in dem vorliegenden Beispiel beschriebene Form
beschränkt.
-
Nachfolgend wird unter Verwendung des Bezugsursprungs (fein)
als Ursprung in der X-Y-Koordinate des Sondenelektroden-
Positionssteuersvstems mit der Sondenelektrode 8102 und der
Feinbewegung eine Abtastung durchgeführt, und die
Informationsaufzeichnung in einem Abstand von 0,01
Mikrometern durchgeführt. Die Aufzeichnungsposition pro Bit auf
der Aufzeichnungsoberfläche 8101 ist in Fig. 56 schematisch
dargestellt. Das Aufzeichnen erfolgt auf ähnliche Weise wie
das Ausbilden des Bezugsursprungs (fein), wobei auf dem
elektrischen Speichermäterial (SOAZ, 4 Schichten-LB-Film) ein
"Ein"-Zustand und ein "Aus"-Zustand (hochohmiger Zustand vor
dem Aufzeichnen) definiert wird.
-
Das Aufzeichnungsmedium mit einer gemäß dem vorherstehend
beschriebenen Verfahren ausgebildeten Aufzeichnung wurde aus
dem Aufnahme-/Wiedergabegerät ausgebaut und anschließend
wieder auf den X-Y-Tisch 8114 gelegt, wonach Wiedergabe-
Experimente durchgeführt wurden. Als erstes werden wie beim
Aufzeichnen die X- und Y-Richtungen des
Positions-Steuersystems ausgerichtet, wobei die Si-Atomskala mit der [211]-
Richtung und der [011]-Richtung verwendet wird. Nachfolgend
wird in Bezug auf die X- und Y-Richtungen die
Grobbewegungsansteuerung zum Abtasten mit der Sondenelektrode verwendet
und die Position des Bezugsursprungs (grob) 8201 erfaßt. Auf
der Grundlage des erfaßten Bezugsursprungs (grob) werden die
Grobbewegungs- und Feinbewegungs-Ansteuerungen zum Erfassen
des Bezugsursprungs (fein) verwendet.
-
Unter Verwendung des Bezugsursprungs (fein) als Ursprung für
das X-Y-Koordinatensystem erfolgt die Wiedergabe der
aufgezeichneten Informationen. Insbesondere wird zwischen die
Sondenelektrode 8102 und die Au-Elektrode 8103 eine
Wiedergabe-Sondenspannung von 1,0 V angelegt und die
Erfassung der Position des Bezugsursprungs (fein) 8202 sowie
die Wiedergabe der aufgezeichneten Informationen
folgendermaßen durchgeführt: (i) direktes Lesen der
Ähderungen des Sondenstroms in dem "Ein"-Zustandsbereich und
dem "Aus"-Zustandsbereich oder alternativ durch (11) Auslesen
der Anderungen im Abstand Z zwischen der Sondenelektrode 8102
und der Oberfläche der Aufzeichnungsschicht 8101 mittels der
Servoschaltung 8106, wobei mit der Sondenelektrode 8102 eine
Abtastung erfolgt und der Sondenstrom Ip konstant gehalten
wird. In den vorherstehend beschriebenen Wiedergabe-
Experimenten betrug die Bit-Fehlerrate 5 x 10&supmin;&sup6;.
-
Darüberhinaus kann eine Sondenspannung, welche größer ist als
eine Schwellenspannung Vth OFF bei der das elektrische
Speichermaterial von einem "Ein"-Zustand in einen "Aus"-
Zustand umschaltet, auf 10 V eingestellt, und die
Aufzeichnungspositionen erneut angefahren werden. Als
Ergebnis wird bestätigt, daß alle Aufzeichnungen gelöscht
wurden und daß der Übergang in den "Aus"-Zustand eingetreten
ist.
Vergleichsbeispiel 1
-
In den Wiedergabe-Experimenten von Beispiel 6 wurde das
Einstellen des X-Y-Koordinatensystems des Sondenelektroden-
Abtastmechanismus mit seiner Atomskal sowie das Einstellen
des Positions-Koordinatenursprungs mittels der Erfassung des
bezugsursprungs (grob und fein) unterlassen. In diesem Fall
war es sehr schwierig, den Aufzeichnungs-Schreibbereich zu
finden, und darüberhinaus war die Wiedergabe nahezu
unmöglich.
Beispiel 7
-
Nachfolgend erfolgt die Beschreibung eines Beispiels, wobei
das X-Y-Koordinatensystem eines
Sondenelektroden-Abtastsystems mittels einer Bezugsskala unter Verwendung einer
Vielzahl von Bezugsursprüngen eingestellt wird, um die
Aufnahme-/Wiedergabe durchzuführen.
-
Der Aufbau eines in diesem Beispiel verwendbaren
Aufzeichnungsmediums 8001 ist schematisch in den Fig. 57A und 57B
gezeigt. In diesem Beispiel wird als Substrat 8104 eine
optische Basis-Glasplatte (1 mm Dicke) mit einer Größe von
0,7 x 1,5 cm verwendet. Daraufhin wurde an einer um einen
Millimeter vom Mittelpunkt der Kante B - B' in Richtung des
Zentrums des Substrats beabstandeten Position ein
Bezugsursprung (grob) 8202 mit einer Größe eines Quadrats von
einem Mikrometer und einer Tiefe von 0,1 Mikrometern
ausgebildet.
-
Das Verfahren zum Ausbilden eines derartigen Bezugsursprungs
(grob) wird nachfolgend beschrieben.
-
Mittels eines bekannten Photoresist-Verfahrens wird ein
Resist-Material (Markenzeichen: "AZ 1350") auf das Substrat
mit einer Dicke von 1 Mikrometer aufgebracht. Nach der
thermischen Vorbehandlung und unter Verwendung einer Maske
mit der in Fig. 56 gezeigten Form erfolgt eine Bestrahlung
mit ultraviolettem Licht, eine Entwicklung und eine
thermische Nachbehandlung, wodurch ein Maskenmuster auf der
Glasplatte ausgebildet wird. Nachfolgend wird auf der
-
Das Verfahren zum Ausbilden eines derartigen Bezugsursprungs
(grob) ist im wesentlichen das gleiche wie in Beispiel 1
beschrieben.
-
die Art und Weise des Herstellens der Basiselektrode 8103 und
der Aufzeichnungsschicht 8101 entspricht im wesentlichen der
Art und Weise, wie sie gemäß Fig. 52 beschrieben wurde.
-
Unter Verwendung des wie vorherstehend beschrieben
ausgebildeten Aufzeichnungsmediums 8001 wurden
Aufnahme-/Wiedergabe-Experimente durchgeführt.
-
Die Einzelheiten werden nachfolgend beschrieben:
-
Das Aufzeichnungsmedium 8001 mit einer Aufzeichnungsschicht
8101 bestehend aus akkumulierten 8 SOAZ-Schichten wird mit
dem Ausschnitt (B - B') des Substrats des
Aufzeichnungsmediums 8001 auf den X-Y-Tisch 8114 gelegt, wodurch es in
einer vorbestimmten Richtung ausgerichtet wird. Nachfolgend
wird die Sondenelektrode 8102 zu einer auf dem Substrat von
der Seitenkante B - B' um 1 mm nach innen beabstandeten
Position bewegt und, während zwischen die Sondenelektrode und
das Si-Substrat 8104 eine Sondenspannung von 0,6 V angelegt
wird, und die X-Richtung der X-Y-Feinbewegungs-Ansteuerung
(8107, 8109) im wesentlichen parallel zur Richtung B - B'
zeitweise ausgerichtet wurde, eine Abtastung über eine Länge
von 1 Mikrometer in X-Richtung durchgeführt. Nachfolgend wird
eine Abtastung in Y-Richtung (senkrecht zur X-Richtung) über
eine Länge von 1 Mikrometer durchgeführt. Gleichzeitig wird
die Messung des Oberflächenzustands wiederholt, während die
X-Y-Koordinatenachsen ünterschiedlich geändert werden, wobei
die Einstellung derart erfolgt, daß die Abstände der
erhaltenen Si-Atomanordnungen möglichst nahe bei 6,65
Angström und 3,84 Angström liegen. Mit einer derartigen
Einstellung steht die X-Achse der X-Y-Feinbewegungs-
Ansteuerung mit der [211]-Richtung des Si-Substrats in
Einklang, während ihre Y-Achse mit der [011]-Richtung
übereinstimmt. Gleichzeitig erfolgt eine Einstellung, so daß
die X- und Y-Richtung der Grobbewegungs-Ansteuerung mit der
X- und Y-Richtung der eingestellten Feinbewegungs-Ansteuerung
innerhalb eines Steuerfehlerbereichs der Grobbewegungs-
Ansteuerung übereinstimmen. Nachfolgend wurde in Bezug auf
die X- und Y-Richtung die Grobbewegungs-Ansteuerung zum
abtasten der Sondenelektrode verwendet, und die Position des
Bezugsursprungs (grob) 8201 erfaßt.
-
Im Abstand von 2 mm in Y-Achsenrichtung vom Zentrum des
Bezugsursprungs (grob) in Richtung zum Zentrum des Substrats
wird ein Bezugsursprung (fein) 8202 ausgebildet.
-
a Ein derartiger Bezugsursprung (fein) kann mittels des
elektrischen Speichereffekts der Aufzeichnungsschicht 8101
ausgebildet werden. Genauer gesagt, wird zwischen die
Elektrode 8102 und die Au-Elektrode 8103 eine Sondenspannung
von 1,0 V angelegt und mittels der
Z-Achsenrichtung-Feinbewegungs-Ansteuerung 8107 der Abstand Z zwischen der
Sondenelektrode 8102 und der Oberfläche der Aufzeichnungsschicht
8101 derart eingestellt, daß ein Sondenstrom Ip von 10&supmin;&sup9; A
vorliegt. Während die Sondenelektrode 8102 an eine positive
Seite und die Au-Elektrode an eine negative Seite gelegt
wird, wird nachfolgend eine Rechteckimpulsspannung (18 V, 0,1
Mikrosekunden), welche größer als die Schwellenspannung Vth
ON ist, und welche das elektrische Speichermaterial (SOAZ, 8
Schichten LB-Film) in einen niederohmigen Zustand ("Ein"-
Zustand) ändert, zum Erzeugen eines "Ein"-Zustands angelegt.
Während der Abstand Z zwischen der Sondenelektrode 8102 und
der Aufzeichnungsschicht 8101 konstant gehalten wird, wird
zwischen die Sondenelektrode 8102 und die Au-Elektrode 8103
eine Sondenspannung von 1,0 V angelegt. Der Sondenstrom Ip
wird gemessen und es erfolgt eine Bestätigung, daß ein
elektrischer Strom ca. 0,5 mA beträgt und der "Ein"-Zustand
erreicht wurde. Mittels der vorherstehend beschriebenen
Operation wurde der Bezugsursprung (fein) 8202 bestimmt. In
diesem Fall wurde ein Bereich mit der Größe einem Quadrats
von 10 nm auf der Aufzeichnungsschicht in den "Ein"-Zustand
gebracht, um ein vermischtes Wiedergeben (Fig. 56) der
Ursprungspositionsinformation in Bezug auf den Bezugsursprung
(fein) 8202 und der Aufzeichnungsinformation zu verhindern.
-
Die Form des Bezugsursprungs (fein) 8202 ist jedoch nicht auf
die in dem vorliegenden Beispiel beschriebene Form
beschränkt.
-
Nachfolgend wird unter Verwendung des Bezugsursprungs (fein)
als Ursprung in der X-Y-Koordinate des Sondenelektroden-
Positionssteuersystems mit der Sondenelektrode 8102 und der
Feinbewegung eine Abtastung durchgeführt, und die
Informationsaufzeichnung in einem Abstand von 0,01
Mikrometern durchgeführt. Die Aufzeichnungsposition pro Bit auf
dargestellt. Das Aufzeichnen erfolgt auf ähnliche Weise wie
das Ausbilden des Bezugsursprungs (fein), wobei auf dem
elektrischen Speichermaterial (SOAZ, 4 Schichten-LB-Film) ein
"Ein"-Zustand und ein "Aus"-Zustand (hochohmiger Zustand vor
dem Aufzeichnen) definiert wird.
-
Das Aufzeichnungsmedium mit einer gemäß dem vorherstehend
beschriebenen Verfahren ausgebildeten Aufzeichnung wurde aus
dem Aufnahme-/Wiedergabegerät ausgebaut und anschließend
wieder auf den X-Y-Tisch 8114 gelegt, wonach Wiedergabe-
Experimente durchgeführt wurden. Als erstes werden wie beim
Aufzeichnen die X- und Y-Richtungen des
Positions-Steuersystems ausgerichtet, wobei die Si-Atomskala mit der [211]-
Richtung und der [011]-Richtung verwendet wird. Nachfolgend
wird in Bezug auf die X- und Y-Richtungen die Grobbewegungs-
Ansteuerung zum Abtasten mit der Sondenelektrode verwendet
und die Position des Bezugsursprungs (grob) 8201 erfaßt. Auf
der Grundlage des erfaßten Bezugsursprungs (grob) werden die
Grobbewegungs- und Feinbewegungs-Ansteuerungen zum Erfassen
des Bezugsursprungs (fein) verwendet.
-
Unter Verwendung des Bezugsursprungs (fein) als Ursprung für
das X-Y-Koordinatensystem erfolgt die Wiedergabe der
aufgezeichneten Informationen. Insbesondere wird zwisthen die
Sondenelektrode 8102 und die Au-Elektrode 8103 eine
Wiedergabe-Sondenspannung von 1,0 V angelegt und die
Erfassung der Position des Bezugsursprungs (fein) 8202 sowie
die Wiedergabe der aufgezeichneten Informationen
folgendermaßen durchgeführt: (i) direktes Lesen der
Ähderungen des Sondenstroms in dem "Ein"-Zustandsbereich und
dem "Aus"-Zustandsbereich oder alternativ durch (ii) Auslesen
der Änderungen im Abstand Z zwischen der Sondenelektrode 8102
und der Oberfläche der Aufzeichnungsschicht 8101 mittels der
Servoschaltung 8106, wobei mit der Sondenelektrode 8102 eine
Abtastung erfolgt und der Sondenstrom Ip konstant gehalten
wird. In den vorherstehend beschriebenen Wiedergabe-
Experimenten betrug die Bit-Eehlerrate 5 x 10&supmin;&sup6;.
-
Darüberhinaus kann eine Sondenspannung, welche größer ist als
eine Schwellenspannung Vth OFF bei der das elektrische
Speichermaterial von einem "Ein"-Zustand in einen "Aus"-
Zustand umschaltet, auf 10 V eingestellt, und die
Aufzeichnungspositionen erneut angefahren werden. Als
Ergebnis wird bestätigt, daß alle Aufzeichnungen gelöscht
wurden und daß der Übergang in den "Aus"-Zustand eingetreten
ist.
Vergleichsbeispiel 1
-
In den Wiedergabe-Experimenten von Beispiel 6 wurde das
Einstellen des X-Y-Koordinatensystems des Sondenelektroden-
Abtastmechanismus mit seiner Atomskal sowie das Einstellen
des Positions-Koordinatenursprungs mittels der Erfassung des
Bezugsursprungs (grob und fein) unterlassen. In diesem Fall
war es sehr schwierig, den Aufzeichnungs-Schreibbereich zu
finden, und darüberhinaus war die Wiedergabe nahezu
unmöglich.
Beispiel 7
-
Nachfolgend erfolgt die Beschreibung eines Beispiels, wobei
das X-Y-Koordinatensystem eines
Sondenelektroden-Abtastsystems mittels einer Bezugsskala unter Verwendung einer
Vielzahl von Bezugsursprüngen eingestellt wird, um die
Aufnahme-/Wiedergabe durchzuführen.
-
TEXT FEHLT
geschichtet, wodurch eine Aufzeichnungsschicht 8101
ausgebildet wird. Das ganze erfolgt in der Art, daß die
Aufzeichnungsschicht 8101 nicht in der Nähe des
Bezugsursprungs (grob) 8202 abgeschieden wird.
-
Die Bedingungen zum Ausbilden des t-Butyl-Ersatz-LB-Films von
LuH(Pc)&sub2; sind folgende:
-
Lösungsmittel:
Chloroform/Trimethylbenezen/Aceton = 1/1/2 (V/V)
-
Konzentration: 0,5 mg/ml
-
Wässerige Phase: reines Wasser der
Temperatur 20ºC
-
Wasseroberflächendruck: 20 mN/m
-
Vertikale
Bewegungsgeschwindigkeit des Substrats: 3 mm/min
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Unter Verwendung des vorherstehend beschriebenen
Aufzeichnungsmediums 8001 und unter Verwendung des in
Beispiel 6 beschriebenen Aufnahme-/Wiedergabegeräts wurden
Aufnahme-/Wiedergabe-Experimente durchgeführt.
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Die Einzelheiten werden nachfolgend beschrieben:
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Das Aufzeichnungsmedium 8001 mit einer durch Akkumulation
eines 10-Schichten-LB-Films des t-Butyl-Ersatzes von LuH(Pc)&sub2;
ausgebildeten Aufzeichnungsschicht 8101 wird unter
Ausrichtung der Kante B - B' des Aufzeichnungsmediums in
Bezug auf die X-Achsenrichtung des X-Y-Tisches 8114 auf den
X-Y-Tisch 8114 gelegt. Wie im Beispiel 6 wird nachfolgend in
Bezug auf die X- und Y-Richtungen die Grobbewegungs-
Ansteuerung 8110 zum Abtasten mit der Sondenelektrode 8102
verwendet, um dadurch die Position des Bezugsursprungs (grob)
8201 zu erfassen. Die Sondenspannung ist hierbei 0,1 V. An
der (auf der Aufzeichnungsschicht 8101) um 2 mm in Y-
Achsenrichtung vom Zentrum des Bezugsursprungs (grob) 8201 in
Richtung des Zentrums des Substrats beabstandeten Position
wird ein erster Bezugsursprung (fein) 8401 auf ähnliche Weise
wie der Bezugsursprung (fein) in Beispiel 6 ausgebildet.
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Gleichzeitig werden die X-Y-Richtungen der Grobbewegungs-
Ansteuerung und die X- und Y-Richtungen der Feinbewegungs-
Ansteuerung innerhalb des Steuerfehlerbereichs der
Grobbewegungs-Ansteuerung ausgerichtet. Anschließend wird unter
Verwendung der Feinbewegungs-Ansteuerung ein zweiter
Bezugsursprung (fein) 8402 an einer um einen Mikrometer in der Y-
Achsenrichtung vom ersten Bezugsursprung (fein) 8401
beabstandeten Position ausgebildet. Ein derartiger zweiter
Bezugsursprung (fein) 8402 kann auf ähnliche Weise wie der
erste Bezugsursprung (fein) ausgebildet werden. Zur
Unterscheidung können die beiden Ursprünge unterschiedliche
Formen aufweisen. Dies ist jedoch nicht immer notwendig. Es
wird lediglich gefordert, daß diese Ursprünge nicht mit den
anderen gewöhnlichen Aufzeichnungsinformationen verwechselt
werden können. Unter Verwendung eines der beiden ersten und
zweiten Bezugsursprünge (fein) 8401 und 8402 als Ursprung des
X-Y-Koordinatensystems und unter Verwendung der
Feinbewegungs-Ansteuerung erfolgt die Aufzeichnung der
Informationen in einem Abstand von 0,01 Mikrometern. Die
Aufzeichnung erfolgt auf gleiche Weise wie in Beispiel 6. Das
Aufzeichnungsmedium 8001, auf dem die Aufzeichnungen gemäß
dem vorherstehend beschriebenen Verfahren aufgezeichnet
wurden, wurde zeitweise von dem Aufnahme-/Wiedergabegerät
entfernt und anschließend wieder auf den X-Y-Tisch 8114
befestigt und Wiedergabeexperimente durchgeführt. Als erstes
wurde wie beim Aufzeichnen die Sondenelektrode mittels der
Grobbewegungs-Ansteuerung in der X- und Y-Richtung zum
Erfassen des Bezugsursprungs (grob) 8201 bewegt und auf der
Grundlage des erfaßten Bezugsursprungs (grob) und mittels der
Grobbewegungs- und Feinbewegungs-Ansteuerung der erste
Bezugsursprung (fein) 8401 gefunden. Anschließend wurde
mittels der Feinbewegungs-Ansteuerung der zweite
Bezugsursprung (fein) 8402 erfaßt, und anschließend das X-Y-
Koordinatensystem eingestellt (rückgesetzt), so daß die
Richtung eines den ersten und den zweiten Bezugsursprung
(fein) verbindenden Liniensegments und die Y-Achsenrichtung
des Sondenelektroden-Abtastsystems in Übereinstimmung
miteinander gebracht werden. Die Einstellung erfolgt derart,
daß der erste Bezugsursprung (fein) 8402 einen Ursprung eines
derartigen X-Y-Koordinatensystems darstellt. Die Wiedergabe
der aufgezeichneten Informationen erfolgt unter Verwendung
eines derartigen Positions-Koordinatensystems als
Bezugssystem, wobei die Bitfehlerrate bei 3 x 10&supmin;&sup6; liegt. Die
wiedergabe wurde ohne Rücksetzen des X-Y-Koordinatensystems
mittels der vorherstehend beschriebenen Bezugsursprünge
durchgeführt, wobei jedoch eine Wiedergabe nicht möglich war.
Beispiel 8
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Ein weiteres Beispiel in dem eine Vielzahl von Bezugspunkten
zum Vergrößern der Aufzeichnungskapazität ausserhalb des
Bereiches der Feinbewegungs-Abtastung vorgesehen sind, und
wobei die Aufnahme/Wiedergabe unter Verwendung eines jeden
Punktes als Bezugspunkt durchgeführt wird, wird nachfolgend
beschrieben.
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Als Aufnahme-/Wiedergabegerät wurde das gleiche Gerät wie in
Beispiel 6 (Fig. 54) verwendet.
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Das Aufzeichnungsmedium 8001 wurde auf gleiche Art und Weise
wie in Beispiel 6 hergestellt und ein Bezugsursprung (fein)
8202 auf gleiche Weise ausgebildet. Unter Verwendung der
Feinbewegungs-Ansteuerung wird die Sondenelektrode an eine um
5 Mikrometer entlang der Y-Achse vom Bezugsursprung (fein)
8202 in Richtung des Zentrums des Substrats beabstandete
Position bewegt und ein Bezugspunkt (fein) A 8501 in
ähnlicher Weise wie der Bezugsursprung (fein) 8202
ausgebildet. Darüberhinaus wird in ähnlicher Weise ein
weiterer Bezugsursprung (fein) B 8502 an einer um 5
Mikrometer entlang der Y-Achse vom Bezugspunkt (fein) A in
Richtung des Zentrums des Substrats beabstandeten Position
ausgebildet. Unter Verwendung eines jeden dieser Punkte als
Bezugspunkte und unter Verwendung der
Feinbewegungs-Ansteuerung erfolgt die Aufzeichnung in einem
Aufzeichnungsbereich 8503 (O), einem Aufzeichnungsbereich 8504 (A) und
einem Aufzeichnungsbereich 8505 (B) (siehe Fig. 58).
Nachfolgend wurde das Aufzeichnungsmedium 8001 zeitweise vom
Aufnahme-/Wiedergabegerät entfernt und nach erneutem
Einsetzen die Wiedergabe der aufgezeichneten Informationen in
ähnlicher Weise wie in Beispiel 6 durchgeführt. In jedem der
Aufzeichnungsbereiche 8503 (O), 8504 (A) und 8505 (B) betrug
die Bitfehlerrate 5 x 10&supmin;&sup6;.
Vergleichsbeispiel 2
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Wie in Beispiel 8 wurde ein Aufzeichnungsmedium 8001
hergestellt und die Aufzeichnung durchgeführt. In diesem
Beispiel wurde der Bezugspunkt (fein) A 8501 und der
Bezugspunkt (fein) B 8502 nicht ausgebildet, wobei die
Aufzeichnung an Positionen entsprechend des
Aufzeichnungsbereichs A 8504 und des Aufzeichnungsbereichs B
8505 erfolgte. Mit einem derartigen Aufzeichnungsmedium 8001
mit darauf ausgebildeten Aufzeichnungen wurden anschließend
Wiedergabeexperimente gemäß Beispiel 8 durchgeführt. Als
Ergebnis betrug die Bitfehlerrate im Aufzeichnungsbereich O
8503 5 x 10&supmin;&sup6;, wobei keine Änderung im Vergleich zum
Beispiel 8 festgestellt werden konnte. Hinsichtlich des
Aufzeichnungsbereichs A 8504 und des Aufzeichnungsbereichs B
8505 war es jedoch sehr schwierig ihre Positionen zu
erfassen. Darüberhinaus lag die Bitfehlerrate in einem
Bereich von 2 x 10&supmin;³ bis 5 x 10&supmin;&sup4; und die Genauigkeit war im
Vergleich zum Beispiel 8 verringert.
Beispiel 9
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Gemäß Beispiel 6 wurde das Substrat 8104 durch einen Ga-As-
Wafer ersetzt und die Aufzeichnungsschicht 8101 durch einen
8-Schichten-LB-Film eines t-Butyl-Ersatzproduktes von
Silikonchlorid-Phtalocyanin (PcSniCl&sub2;) ersetzt. Mit Ausnahme
dieser Punkte entspricht das vorliegende Beispiel im
wesentlichen dem Beispiel 6, wobei Aufnahme-/Wiedergabe-
Experimente durchgeführt wurden. Die Beschreibung erfolgt
anhand der Unterschiede im Vergleich zum Beispiel 6. Der
Aufbau des Aufzeichnungsmediums 1 entspricht dem in Fig. 55
gezeigten Aufbau. Als Substrat wird ein P-Typ Ga-As-Wafer
(Zn-dotiert, 0,3 mm Dicke) mit einem Durchmesser von 1/2 Inch
und einer (110)-Belichtungsebene verwendet. Die Richtung B
- B' des Substratausschnitts ist im wesentlichen parallel zur
[001]-Richtung des Ga-As-Kristalls.
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Zum Ausbilden eines Bezugsursprungs (grob) wurde vom
Mittelpunkt der Kante B - B' in Richtung des Zentrums des
Substrats ein Ätzen bis zur Größe eines Quadrates von einem
Mikrometer und einer Tiefe von 0,2 Mikrometer durchgeführt.
Die Art und Weise des Ausbildens eines derartigen
Bezugsursprungs (grob) wird nachfolgend beschrieben.
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Als erstes wird ein Resist für ultraviolette Strahlung
(Markenzeichen: "AZ 1350") auf die Ga-As-Substratoberfläche
bis zu einer Dicke von 1 Mikrometer aufgebracht und nach
einer thermischen Vorbehandlung eine der Form gemäß Fig. 55
entsprechende Maske verwendet und eine Bestrahlung mit
ultraviolettem Licht, ein Entwickeln und eine thermische
Nachbehandlung durchgeführt. Somit wurde ein Maskenmuster auf dem
Ga-As-Substrat ausgebildet. Nachfolgend wurde mittels eines
BCl&sub3;-Gases ein Sputterätzen unter der Bedingung eines
Gasdrucks von 1 Pa und einer Entladespannung von 100 V für
drei Minuten durchgeführt. Die resultierende Ätztiefe betrug
0,2 Mikrometer. Anschließend wurde das AZ 1350-Material der
Maske mittels Acetonreinigung entfernt.
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Ähnlich wie in Beispiel 6 wurde auf dem derart hergestellten
Substrat eine Cr/Au-Basiselektrode 8103 ausgebildet und
anschließend auf der Basiselektrode 8103 ein 8-Schichten-LB-
Film eines t-Butyl-Ersatzsilikonchlorid-Phtalocyanin
(PcSiCl&sub3;) aufgebaut, um eine Aufzeichnungsschicht 8101 zu
schaffen. Die Aufzeichnungsschicht-Ausbildungsbedingungen
sind wie folgt:
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Lösungsmittel: CH&sub3;CCl&sub3;
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Konzentration der Lösung: 1 mg/ml
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Wässerige Phase: pH 8,2 (reines Wasser mit
NaOH abgeglichen)
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Wasseroberflächendruck: 25 mN/m
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Vertikale
Bewegungsgeschwindigkeit des Substrats: 5 mm/min
(Z-Typ-Akkumulation)
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mittels des vorherstehend beschriebenen Aufzeichnungsmediums
8001 wurden die Aufzeichnungs-und Wiedergabe-Experimente
durchgeführt. Hierbei betrug die Bitfehlerrate bei der
Wiedergabe 5 x 10&supmin;&sup6;.
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Hinsichtlich der Einstellung der X-Y-Koordinatenachsen
mittels der Atomskala wird hierbei hinzugefügt, daß die
Einstellung derart ausgeführt wurde, daß die X-Achse und die
Y-Achse in Übereinstimmung mit der [001]-Richtung und der
[110]-Richtung des Ga-As-Kristalls gebracht wurden. Dabei
betrugen die Ga-Ga interatomaren Abstände 5,65 Angström in
Bezug auf die [001]-Richtung und 4,0 Angström in Bezug auf
die [110]-Richtung.
Beispiel 10
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In Beispiel 7 wurde die Aufzeichnungsschicht 8101 durch einen
Film eines amorphen Halbleiters ersetzt, wie er durch ein
Atomzusammensetzungsverhältnis von Si&sub1;&sub6;Ge&sub1;&sub4;As&sub5;Te&sub6;&sub5;
dargestellt wird, wobei der Film mit einem bekannten Vakuum-
Aufdampfverfahren bis zu einer Dicke von 2000 Angström
ausgebildet wird. Auf ähnliche Weise wie in Beispiel 7 werden
die Aufnahme-/Wiedergabe-Experimente durchgeführt. Hierbei
wurden jedoch die Aufzeichnungsspannung, die
Wiedergabespannung und die Löschspannung auf einen Rechteck-Impuls von
Vmax, 0,1 Mikrosekunden; eine Spannung von 1,0 V; und
einen Rechteck-Impuls von 50 Vmax, 10 Mikrosekunden
abgeändert.
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Der Aufzeichnungsabstand betrug 0,1 Mikrometer und die Größe
eines jeden der ersten und zweiten Bezugsursprünge (fein)
wurde auf ein Quadrat mit 0,1 Mikrometern abgeändert.
Entsprechend der Ergebnisse der Wiedergabe-Experimente betrug
die Bitfehlerrate 1 x 10&supmin;&sup9;.
Beispiel 11
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Anstelle des in Beispiel 6 verwendeten SOAZ-4-Schichten-LB-
Films wurde CuTCNQF&sub4; verwendet, um eine Aufzeichnungsschicht
8101 zu schaffen. Die Aufzeichnungs- und Wiedergabe-
Experimente wurden in ähnlicher Weise wie in Beispiel 6
durchgeführt.
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Beim Aufzeichnen wurde für die angelegte elektrische Spannung
ein Rechteck-Impuls von 2 Vmax und 10 ns verwendet, während
die bei der Wiedergabe angelegte elektrische Spannung 0,1 V
betrug. Zum Löschen wurde für die angelegte elektrische
Spannung ein Rechteck-Impuls von 5 Vmax und 100 ns verwendet.
Der Aufzeichnungsabstand betrug 0,1 Mikrometer und die Größe
des Bezugsursprungs (fein) 8201 wurde auf ein Quadrat mit 0,1
Mikrometer geändert. Entsprechend der Ergebnisse der
Wiedergabe-Experimente betrug die Bitfehlerrate 1 x 10&supmin;&sup9;.
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Das Verfahren zum Ausbilden einer CuTCNQF&sub4;-
Aufzeichnungsschicht 8101 wird nachfolgend beschrieben.
Mittels eines Vakuum-Aufdampfverfahrens wird auf der Au-
Elektrode 8103 Cu und TCNQF&sub4; gemeinsam abgeschieden und eine
Cu + TCNQF&sub4;-Schicht mit einer Dicke von 2000 Angström
(Substrat-Temperatur: Zimmertemperatur) ausgebildet.
Gleichzeitig wurde ein elektrischer Strom zum Einstellen
einer Abscheidungsgeschwindigkeit von ca. Cu: 5 Angström/s
und TCNQF&sub4;: 20 Angström/s angelegt, und eine Erhitzung
durchgeführt. Als Ergebnis wurde bestätigt, daß ein blauer
Film aufgrund der Produktion von CUTCNQF&sub4; abgeschieden wurde.
Beispiel 12
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In diesem Beispiel wird die in Beispiel 10 (, wobei eine
Vielzahl von Bezugsursprüngen und eine amorphe
Halbleiteraufzeichnungsschicht 8101 verwendet wurden,)
verwendete Basiselektrode (Cr-unterbeschichtete Au-Elektrode)
8103 durch ein Cr-Material der Dicke 500 Anström ersetzt und
die Aufzeichnungsschicht 8101 durch eine amorphe
Siliziumschicht mit dem Aufbau P&spplus;-Schicht/n-Schicht/i-Schicht
ersetzt. Mit Ausnahme dieser Punkte entspricht dieses
Beispiel dem Beispiel 10. Somit wurden auf gleiche Weise die
Aufzeichnungs- und Wiedergabeexperimente durchgeführt.
Entsprechend der Ergebnisse der Wiedergabeexperimente betrug
die Bitfehlerrate 1 x 10&supmin;&sup9;.
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Während der Experimente wurden folgende Spannungen beim
Aufzeichnen/Wiedergeben und Löschen angelegt.
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Aufzeichnen: 20 V
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Wiedergeben: 0,5 V
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Löschen: -5 V
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Nachfolgend wird das Verfahren zum Ausbilden der
Aufzeichnungsschicht 8101 beschrieben. Als erstes wurde zum
Ausbilden einer Elektrode Cr mittels eines Vakuum-
Abscheideverfahrens bis zu einer Filmdicke von 500 Angström
abgeschieden. Anschließend wurde mittels eines Glüh-
Entladungsverfahrens ein P&spplus;-Typ amorpher Siliziumfilm mit
einer Dicke von 1000 Angström ausgebildet. Die Bedingungen
waren wie folgt:
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Eingeführtes Gas: B&sub2;H&sub6;/SiH&sub4; (NBH/NSiH = 10-1)
(verdünnt auf 0,025 mol %
mit H&sub2; Gas)
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rf-Leistung: 0,01 W/cm²
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Druck: 0,5 Torr
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Substrat-Temperatur: 300ºC
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Abscheidegeschwindigkeit: 30 Angström/min
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Nachfolgend wurde das überflüssige Quellmaterialgas
ausgestoßen, danach ein neues Quellmaterialgas zugeführt und
n-Typ amorphes Silizium bis zu einer Dicke von 5000 Angström
abgeschieden. Die Bedingungen hierfür waren:
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Eingeführtes Gas: PH&sub3;/SiH&sub4; (NPH/NSiH = 5 x 10&supmin;³)
(verdünnt auf 0,05 mol %
mit H&sub2; Gas)
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rf-Leistung: 0,01 W/cm²
-
Druck: 0,5 Torr
-
Substrat-Temperatur: 300ºC
-
Abscheidegeschwindigkeit: 40 Angström/min
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Nachdem Ausstoßen des Quellmaterialgases wurde ein mittels H&sub2;
auf 0,05 mol % verdünntes SiH&sub4;-Gas in eine Kammer
eingebracht, während die anderen Bedingungen beibehalten
wurden, und ein i-Phasen amorphes Silizium bis zu einer Dicke
von 1000 Angström abgeschieden.
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Obwohl verschiedene Herstellungsverfahren für das
Aufzeichnungsmedium mittels der vorherstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiele und Beispiele beschrieben wurden, ist
die Herstellung des Aufzeichnungsmediums nicht auf diese
Verfahren beschränkt. Vielmehr kann jedes Film-
Herstellungsverfahren verwendet werden, mit dem ein sehr
gleichmäßiger Film hergestellt werden kann. Darüberhinaus ist
es selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung das
Material, die Form und die Oberflächenstruktur des Substrates
nicht beschränkt.
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Fig. 59 zeigt eine schematische Ansicht eines Aufnahme-
/Wiedergabegeräts gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in der zwei Sondenelektroden
voneinander getrennt zum Erfassen der Position und für die
Aufnahme/Wiedergabe vorgesehen sind. In Fig. 59 sind mit 8601
und 8602 eine Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode und eine
Positionserfassungs-Sondenelektrode bezeichnet, wobei eine
jede durch Elektropolieren eines Wolframdrahtes mit einem
Durchmesser von einem Millimeter hergestellt wurde. Die
Positionserfassungs-Sohdenelektrode 8602 wird zum Erfassen
der Atomanordnung eines Substrates 8603, welches als
Positions-Koordinate wirkt, verwendet. Andererseits wird die
Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 8601 in Bezug auf die
Positionserfassungs-Sondenelektrode 8602 an einer festen
Position gehalten und als Einheit beweglich gelagert. Die
Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode wird zum Aufzeichnen,
Wiedergeben und Löschen auf einem Aufzeichnungsmedium 8604
verwendet. Mit 8605 P und 8605 R sind
X-Y-Z-Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerungen
bezeichnet, die jeweils ein
Röhrentyp-Feinbewegungselement (Röhrenscanner) zum Steuern
des Abstandes Z zwischen dem Aufzeichnungsmedium 8604 und der
Sondenelektroden 8601 oder 8602 besitzen. Diese
feinbewegungs-Ansteuerungen können die Positionen der
Sondenelektroden 8601 und 8602 derart unabhängig voneinander
steuern, daß ein Durchschnittsabstand auf einem konstanten
Wert gehalten werden kann. Darüberhinaus kann mit diesen
Feinbewegungs-Ansteuerungen eine Feinpositions-Steuerung in
einer Ebene (X und Y) durchgeführt werden, während der
Abstand Z konstant gehalten wird.
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Das Aufzeichnungsmedium 8604 befindet sich auf einer X-Y-
Grobbewegungs-Ansteuerung, welches einen hochpräzisen
elastischen Drehgelenkmechanismus besitzt und parallele
Federn verwendet, so daß das Aufzeichnungsmedium an eine
gewünschte Position bewegt werden kann. Mit 8607 ist eine
Super-Grobbewegungs-Ansteuerung bezeichnet, die im
wesentlichen ein piezoelektrisches Gerät mit
Mehrschicht-Aufbau besitzt und mit dem jenseits des Feinbewegungs-
Bereichs eine relative Verschiebung in Z-Achsen-Richtung
durchgeführt werden kann. Diese Komponenten und
Ansteuergeräte werden unter dem Einfluß einer Steuereinheit
8608 gesteuert. Darüberhinaus sind alle diese Komponenten und
Ansteuergeräte auf einem Antivibrationstisch 8609 gelagert.
Die mechanische Funktion des vorliegenden
Ausführungsbeispiels hinsichtlich der Bewegungssteuerung ist
folgendermaßen:
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Z-Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerbereich:
0,1 nm - 1 Mikrometer
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Z-Achsen-Grobbewegungs-Ansteuerbereich:
10 nm - 10 mm
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X-Y-Feinbewegungs-Ansteuerbereich:
nicht weniger als 0,01 nm
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X-Y-Grobbewegungs-Ansteuerbereich:
10 nm - 10 mm
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Fig. 60 zeigt ein Blockschaltbild der im vorliegenden
Ausführungsbeispiel verwendeten Steuereinheit 8608. Die
Position der Sondenelektrode 8601 (8602) wird gesteuert und
konstant gehalten indem mittels eines Vergleichers 8620 ein
zwischen der Sondenelektrode und dem Aufzeichnungsmedium
(oder den Atomen des Substrats für die Positionserfassung)
fließender elektrischer Strom (Sondenstrom) erfaßt wird;
indem der erfaßte Strom mit einem eingestellten Wert (10&supmin;&sup9; A)
verglichen wird; und indem die Z-Achsen-Position der
Sondenelektrode mittels der
Z-Achsen-Feinbewegungs-Sondenansteuerung 8605 Pz und 8605 Rz derart angesteuert wird, daß der
Sondenstrom annähernd einen Wert von 10&supmin;&sup9; A annimmt. Beim
Aufzeichnen und Löschen ändert sich der Sondenstrom
gleichzeitig mit dem Anlegen einer Schreib- oder
Lösch-Impulsspannung. Daher wird während dieser Zeitperiode eine
Halteschaltung 8611 angeschaltet, mit der die
Ausgangsspannung zu der Z-Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerung 8605 Pz
für die Sonde 8602 konstant gehalten werden kann. Die
Position der Positionserfassungs-Sondenelektrode 8602 wird in
X-Richtung mittels einer X-Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerung
8605 Px eingestellt, während sie in der Y-Richtung mittels
einer Y-Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerung 8605 Py geringfügig
mit einer Frequenz von einigen khz in Schwingung versetzt
wird. Das zu diesem Zeitpunkt erhaltene Sondenstromsignal 583
wird mit einem Abtastsignal 581 der
Y-Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerung 8605 Py, welches von einer Zentraleinheit
(nachfolgend als CPU bezeichnet) 8616 und über einen Zähler
8612 und einen Digital-/Analogwandler (nachfolgend als D/A-
Wandler bezeichnet) 8613 erhalten wird, einer phasenstarren
Erfassung unterworfen. Dadurch wird ein der Abweichung der
Sondenelektrode in der Y-Richtung entsprechendes Signal 582
als Ausgangssignal der phasenstarren Erfassungsschaltung 8614
erzeugt. Während das derart erzeugte Ausgangssignal zu einem
Y-Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerabtastsignal 581 hinzu addiert
wird, bewirken die Grobbewegungs-Ansteuerung 8615 und die X-
Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerung 8605 Px gemeinsam eine
Abtastung in der X-Achsenrichtung. Dadurch kann die Bewegung
der Positionserfassungs-Sondenelektrode 8602 in der X-
Richtung entlang der Atomanordnung durchgeführt werden.
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Während eine derartige Y-Achsen-Schwingung und die relativ
zur Atomanordnung durchgeführte Abtastung mit der
Sondenelektrode eine Schwingungskomponente mit einer hohen Frequenz
im Sondenstrom hervorrufen, kann diese Komponente mittels
eines Tiefpaßfilters 8618 abgeschnitten werden. Daher wird
die Sonde nicht durch die Z-Achsen-Feinbewegungs-Ansteuerung
8605 Pz und 8605 Rz bewegt, während sie der hochfrequenten
Schwingungskomponente folgen. Dementsprechend kann auch die
Bewegung der Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 8601
realisiert werden, welche mittels dem X-Y-Feinbewegungs-
Ansteuerung 8605 Rx und 8605 Ry fest in einer vorbestimmten
Beziehung mit der Positions-Erfassungs-Sondenelektrode 8602
steht, und gemeinsam mit der Positionserfassungs-
Sondenelektrode bewegbar ist.
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Das Signal der Positionserfassungs-Sondenelektrode 8602 wird
über ein Tiefpaßfilter 8618A (, welches eine derartige
Frequenzkomponente des Sondenstroms durchläßt, die als
Ergebnis eine X-Richtungsabtastung der Sondenelektrode
relativ zur Atomanordnung zuläßt, jedoch eine hochfrequente
Komponente des Sondenstroms abschneidet) einer CPU 8610 und
dem A/D-Umwandler 8617 zugeführt. Anhand dieses Signals und
durch Zählen der Anzahl von abgetasteten Atomen kann die
Position der Sondenelektrode erfaßt werden. Die zwischen die
Sondenelektroden und das Aufzeichnungsmedim 8604 oder das
Positionserfassungsmedium (Atome des Substrats) 8604A
angelegte Vorspannung und Aufnahme-/Wiedergabe-Impulsspannung
werden von zwei voneinander unabhängigen D/A-Umwandlern 8613
zugeführt.
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Für die Grobbewegungs-Ansteuerung in X- und Y-Richtung werden
als Grobbewegungs-Ansteuerung 8615 wirkende parallele Federn
86158 verwendet. Jede X-Y-Z-Feiubewegungs-Ansteuerung 8605 P
(8605 R) besitzt ein piezoelektrisches Gerät vom
zylindrischen Typ. Ein derartiges piezoelektrisches Gerät
weist eine hohe mechanische Resonanzfrequenz auf (nicht
größer als 8 kHz in X- und Y-Richtung; nicht größer als 40
kHz in Z-Richtung), weshalb der erhaltene Abtastbereich nicht
besonders groß ist (nicht größer als 500 nm). Er ist jedoch
für eine Hochgeschwindigkeits-Abtastung geeignet.
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Die Fig. 61 zeigt den gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel
in der CPU verwendeten Steueralgorithmus. Im Ansprechen auf
ein Startsignal setzt die CPU 8610 derartige Elemente zurück
wie beispielsweise die A/D-Wandler 8613 und die Zähler 8612
und stellt entsprechende Anfangsbedingungen ein. Nachfolgend
werden die Positionserfassungs-Sondenelektroden 8602 und die
Aufnahme-/Wiedergabe-Sondenelektrode 8601 schrittweise und
voneinander getrennt in Richtung auf das Substrat bewegt,
wobei bei jeder schrittweisen Bewegung der in der
Sondenelektrode fließende elektrische Stromwert (Jt) analog/digital
gewandelt wird. Bis zum Erreichen eines eingestellten Wertes
wird die Sondenelektrode 8601 (8602) an das
Aufzeichnungsmedium 8604 oder das Substrat 8603 herangebracht.
Anschließend wird durch Anlegen von Abtastsignalen 584x und
S84y an die Parallelfeder-Vorrichtung 8615 die
Sondenelektrode 8601 über den gesamten Bereich des
Aufzeichnungsmediums entlang der Ebene (X- und Y-Richtung)
abgetastet. Gemeinsam mit dieser Abtastung tastet auch die
Sondenelektrode 8602 über das Substrat. Während der Abtastung
wird der Sondenstrom Jt in geeigneten Zeitabständen mittels
des A/D-Umwandlers 8617 gewandelt und die Position eines
Bezugsursprungs auf dem Aufzeichnungsmedium auf der Grundlage
des X-Y-Abtastsignals, dem Stromwert Jt der Sondenelektrode
8601 und der von der Positionserfassungsvorrichtung 8604A
erhaltenen positionellen Information berechnet. Daraufhin
wird die Sondenelektrode zu dem derart bestimmten
Bezugsursprung bewegt.
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Beim Aufzeichnen wird von der Position des Bezugsursprungs
entlang der Ebene ein kleiner Bereich abgetastet, und im
Ansprechen auf ein der Frequenz zum Zeitpunkt der
Signalabtastung entsprechendes Triggersignal als-erstes ein
Steuersignal in Bezug auf die Z-Achsenrichtung mittels einer
Halte-schaltung 8611 gehalten und anschließend ein
Aufzeichnungs-impuls ausgegeben, wodurch die Aufzeichnung
bewirkt wird. Bei der Wiedergabe wird ein ähnliches
Triggersignal verwendet, wobei ein durch die Sondenelektrode
fließender elektrischer Strom analog/digital umgewandelt und
die Information wiedergegeben wird. Nach Abschluß der
Aufzeichnung bzw. Wiedergabe wird die Sondenelektrode vom
aufzeichnungsmedium entfernt, an seine Anfangsposition
zurückgeführt und dort gehalten.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Abtastmechanismus
in einen Grobbewegungs-Abtastabschnitt und einen
Feinbewegungs-Abtastabschnitt aufgeteilt, wobei für eine
hochfrequente Abtastung der Feinbewegungs-Abtastabschnitt und
für eine niederfrequente Abtastung der Grobbewegungs-
Abtastabschnitt verwendet wird. Dadurch kann der Hub des
Feinbewegungs-Abtastabschnitts verringert und seine
Steifiggeschwindigkeit möglich. Damit kann auch die
Informationsübertragungsgeschwindigkeit erhöht werden. Für den
Feinbewegungs-Mechanismus ist hinsichtlich der Präzision die
Verwendung eines Stellgliedes mit einem piezoelektrischem
Gerät wünschenswert. Jede der weit verbreiteten
Feinbewegungs-Mechanismen oder -Geräte können verwendet werden.
Beispiele hierfür sind "piezoelektrische Stative" (IBM J.
Res. & Dev. 30 (1986) 355 oder Helv. Phys. Acta. 55 (1982),
726, von G. Binnig und H.Rohrer> ; "3-d kontinuierliche
25 Feinpositionierungssysteme" (Rev. Sci. Instrum. 56 (1985)
1573, von G.F.A. Van De Walle, J.W. Gerritsen, H. Van Ken-pen
& P. Wyder; und "Röhrenscanner" (Rev. Sci. Instrum. 57 (1986)
168, von G. Binnig & D.P.E. Smith).
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Das im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendete
Aufzeichnungsmedium entspricht dem in Fig. 51 gezeigten
Ausführungsbeispiel. Als alternatives Ausführungsbeispiel
kann wie in Fig. 62 gezeigt ein Medium 86048 zur
Positionierung an der gegenüberliegenden Seite des
Aufzeichnungsmediums 8604 vorgesehen sein. Fig. 63 zeigt ein
schematisches Blockschaltbild eines
Aufnahme-/Wiedergabegerätes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. In Fig. 63 ist mit 9001 eine
Sondenelektrode bezeichnet, die für die Aufnahme und
Wiedergabe verwendet wird. Um eine erhöhte Auflösung bei der
Aufnahme und Wiedergabe zu erreichen, wird die
Sondenelektrode aus einer mechanisch polierten und elektrisch
polierten Wolframdrahtspitze hergestellt. Es kann jedoch auch
jedes andere Material wie beispielsweise Pt-Ir, Pt eder
dergleichen verwendet werden. Darüberhinaus können auch
andere Herstellverfahren verwendet werden.
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Mit 9002 ist ein Aufzeichnungsmedium bezeichnet, welches in
diesem Ausführungsbeispiel eine Akkumulation von 8 Schichten
von Squarilium-Bis-6-Oktylazulen aufweist und in Bezug auf
A die Schaltcharakteristika der Spannung und des Stroms einen
Speichereffekt aufweist. Der geschichtete Aufbau ist hierbei
auf einem Graphitsubstrat mittels dem LB-Verfahren
ausgebildet.
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Mit 9003 ist ein Stromverstärker bezeichnet, der einen durch
die Sondenelektrode fließenden elektrischen Strom verstärkt,
und in eine elektrische Spannung umwandelt. Mit 9004 ist eine
Feinbewegungs-Ansteuerung bezeichnet, die ein zylindrisches
piezoelektrisches Gerät besitzt und zum Einstellen der
Sondenelektrodenposition in Bezug auf die Richtung in der
Ebene des Aufzeichnungsmediums (d.h. X- und Y-Richtung) und
in einer von der Sondenelektrode zum Aufzeichnungsmedium
gegebenen Richtung (d.h. in der Z-Richtung) verwendet wird.
Mit 9005 ist eine Grobbewegungs-Ansteuerung zum Bewegen des
Aufzeichnungsmediums in der X- und Y-Richtung bezeichnet.
Diese Ansteuerung besitzt parallele Federn, die hauptsächlich
elastische Drehgelenke verwenden.
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Mit 9006 ist eine X-Y-Steuereinheit bezeichnet, mit der eine
Arbeitsspannung an die Ansteuerungen 9004 und 9005 angelegt
werden kann. Mit 9007 ist eine Verarbeitungseinheit
bezeichnet, die eine A/D-Umwandlungsschaltung zum
Digitalisieren des Ausgangssignals des Sondenstrom-
Verstärkers, einen Mikroprozessor zum Steuern verschiedener
Gerätesysteme und eine Verarbeitungseinheit zur
Mustererkennung und Codeübertragung besitzt, welche auf die
Positionsbezugsskala auf dem Aufzeichnungsmedium und die
Aufzeichnungssignale angewandt wird.
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Mit 9008 ist eine Spannungszuführeinheit zum Zuführen von
aufzeichnungs-, Wiedergabe- und Löschspannungen bezeichnet.
Die Spannungszuführeinheit kann eine gewünschte Vorspannung
im Bereich von -10 V bis +10 V zuführen. Mit 9009 ist ein
Antivibrationstisch bezeichnet, mit dem ein Rauschen aufgrund
von Vibrationen des Gerätes während der Aufnahme und
Wiedergabe wirkungsvoll unterdrückt werden kann.
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Mit 9010 ist eine Supergrobbewegungs-Ansteuerung zum Steuern
eines gegenüber dem Steuerbereich der Feinbewegungs- und
Grobbewegungs-Ansteuerung größeren Bereichs bezeichnet. Der
mittels der gestrichelten Linie 9011 definierte Abschnitt
bezeichnet eine Infrastruktur, mit der verschiedene
strukturelle Komponenten unterstützt werden können.
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Die Fig. 64 zeigt eine schematische Ansicht eines
positionellen Bezugsmusters und Signalaufzeichnungsbereiche
auf dem im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten
Aufzeichnungsmedium. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wurden
Positionsbezugsmuster vorab auf dem Aufzeichnungsmedium
aufgezeichnet, bevor die Signalinformationen aufgezeichnet
werden. Darüberhinaus wird vor dem Beginn der Aufzeichnung
bzw. Wiedergabe von Signalinformationen die Sondenelektrode
zum Bestimmen des positionellen Bezugsmusters abgetastet und
auf der Grundlage von zumindest einem Aufnahme-/Wiedergabe-
Bereich auf dem Aufzeichnungsmedium eine Aufnahme/Wiedergabe
durchgeführt, welche man als Ergebnis von diesem Bereich und
der Information hinsichtlich der Abtastrichtung der
Sondenelektrode während der Aufnahme/Wiedergabe erhält.
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Vor der Aufnahme/Wiedergabe werden die in Fig. 64 gezeigten
Muster 9012a bis 9012d vorab auf das Aufzeichnungsmedium
aufgezeichnet. Wegen der mechanischen Genauigkeit des
vorherstehend beschriebenen Aufbaus kann die Position der
Sondenelektrode auf dem Aufzeichnungsmedium mit einer
Genauigkeit von +/-10 Mikrometern bei einer um 200 Mikrometer
in Z-Achsenrichtung von der Anfangsposition beabstandeten
Position auf dem Aufzeichnungsmedium sicher gestellt werden.
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Nachfolgend wird mittels einer Spannungszuführvorrichtung
9008 zwischen die beiden Pole eine elektrische Spannung von
300 mv angelegt und in diesen Zustand das Ausgangssignal des
Stromverstärkers mittels einer Verarbeitungseinheit 9007
verarbeitet. Darauf basierend wird zum Verringern des
Abstandes zwischen den Elektroden bis auf eine Distanz, bei
der ein elektrischer Strom von 1 pA fließt, die
Supergrobbewegungs-Ansteuerung angesteuert.
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Auf ähnliche Weise wird nachfolgend die Feinbewegungs-
Ansteuerung derart angesteuert, daß ein elektrischer Strom
von 1 nA zwischen den Elektroden fließt. Anschließend wird
der mittels einer strichpunktierten Linie eingeschlossene
gesamte Bereich in Fig. 64 zum Einschreiben der Muster 9012a
bis 9012d, wie in Fig. 64 gezeigt, abgetastet.
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Im Anfangszustand des Aufzeichnungsmediums befindet sich der
gesamte Bereich in einem "Aus"-Zustand. Zum Umschalten eines
Abschnitts, auf dem ein Muster aufgezeichnet werden soll, in
einen "Ein"-Zustand wird eine elektrische Spannung von + 10V,
die höher als ein Schwellwert des "Ein"-/"Aus"-Übergangs des
Aufzeichnungsmediums ist, zwischen die Elektroden angelegt,
sobald die Sondenelektrode in die Musteraufzeichnungs-
Position gelangt. Dadurch kann das dargestellte Muster
erzeugt werden. In der Zeichnung zeigt der schraffierte
Bereich einen derartigen Abschnitt, der sich im "Ein"-Zustand
befindet. Der zum Zeitpunkt der Aufzeichnung zwischen den
Elektroden fließende elektrische Strom erhöht sich um ca. das
Dreifache. Zur Vermeidung dieses Effekts wird daher die
Feinbewegungs-Ansteuerung derart angesteuert, daß ein
Durchschnittstrom zwischen den Elektroden auf 0,9 hA gehalten
wird, während dabei ein Durchschnittsabstand zwischen den
Elektroden konstant gehalten wird.
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Für die Aufnahme/Wiedergabe auf dem normalen
Aufzeichnungsbereich wird zunächst die Sondenelektrode in Bezug auf ein
positionelles Bezugsmuster positioniert. Zu diesem Zweck wird
eine gegenüber dem Schwellwert des "Ein"-"Aus"-Übergangs des
Aufzeichnungsmediums geringere Spannung von +5 V zwischen die
Elektroden angelegt und in diesem Zustand die
Feinbewegungsund Grobbewegungs-Ansteuerung derart angesteuert, daß die
Sondenelektroden das gesamte Aufzeichnungsmedium abtasten.
Während des Abtastens wird der "Ein/Aus"-Zustand anhand der
Änderungen im Tunnelstrom zwischen den Elektroden erfaßt,
wodurch das positionelle Bezugsmuster erfaßt wird. Da das
positionelle Bezugsmuster einen größeren Bereich belegt als
die Aufzeichnungseinheit der normalen
Aufzeichnungsinformationen, wenn ihr "Ein/Aus"-Zustand durch Abtastung mit der
Sondenelektrode erfaßt wird, wird die erfaßte "Ein/Aus"-
Frequenz wesentlich geringer als die der normalen
Aufzeichnungsinformation. Daher können mittels einer
einfachen Bandfiltergruppe die Abtasterfassungs-Signale der
positionellen Bezugsmuster und die normalen
Aufzeichnungsinformationen auf einfache Weise als niederfrequente
Komponenten und hochfrequente Komponenten voneinander
getrennt werden. Auf der Grundlage von zweidimensionalen
Informationen hinsichtlich mehrerer positioneller
Bezugsmuster wird die Sondenelektrode an eine Position in der
Nähe eines der vier Muster bewegt. Nachfolgend wird ein
derartiger Bereich, welcher geringfügig größer als der
Musterbereich ist, abgetastet und die dadurch erhaltenen
Signale in einem Speicher als zweidimensionale Informationen
abgespeichert. Gemäß Fig. 64 kann jedes Bezugsmuster anhand
der Richtung der in X- und Y-Richtungen angeordneten
Anordnung von gerichteten Mustern 9013 unterschieden werden.
Ferner können auch die Positionen der erfaßten Muster anhand
der relativen Position eines positionellen Musters 9014 in
Bezug auf das positionelle Bezugsmuster festgelegt werden. Im
einzelnen besitzt das positionelle Bezugsmuster somit
Richtungsinformationen und Positionsinformationen. Mittels
weit verbreiteten Bildverarbeitungsverfahren erholt man somit
die Informationen hinsichtlich der Abtastrichtung zum
Zeitpunkt der wirklichen Aufnahme/Wiedergabe sowie die
Informationen hinsichtlich der Position des erfaßten Musters.
Darüberhinaus kann anhand der abgespeicherten positionellen
Beziehung zwischen den Mustern die Information hinsichtlich
der angenäherten Position des positionellen Bezugsmusters zum
nächsten normalen Aufzeichnungsbereich hergeleitet werden.
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Zum Aufzeichnen der normalen Aufzeichnungsinformation wird
die Sondenelektrode auf der Grundlage der
Positionsinformationen an eine Position in der Nähe des normalen
Aufzeichnungsbereichs bewegt. Daraufhin wird ein Bereich, der
geringfügig größer als der Aufzeichnungsbereich ist,
abgetastet. Nachdem im positionellen Bezugsmuster ein
Synchronisationssignal erfaßt wurde, wird die Information an
einer vorbestimmten Position auf der Grundlage der
Positionsinformationen und mit der Genauigkeit der piezoelektrischen
Vorrichtung eingeschrieben. Für die Wiedergabe der normalen
Aufzeichnungsinformationen werden die mittels der Abtastung
des gesamten Bereiches nach dem Synchronisationssignal
erhaltenen zweidimensionalen Informationen in eine in Fig. 65
gezeigte Aufzeichnungseinheit (Einheitsinformationsbereich)
aufgeteilt, wobei die Hysterese der piezoelektrischen
Vorrichtung, die thermische Expansion/Kontraktion des
Aufzeichnungsmediums und andere davon getrennt eingegebene
Informationen berücksichtigt werden. Jeder Einheitsbereich
wird zum Wiedergeben der aufgezeichneten Informationen (1
oder 0) einer Bildverarbeitung unterworfen. Nach Abschluß der
Aufnahme/Wiedergabe wird die Sondenelektrode auf der
Grundlage der erhaltenen Positionsinformationen an eine in
der Nähe des nächsten Musters befindliche Position bewegt.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Abtastmechanismus
in einen Grobbewegungs-Abtastabschnitt für niederfrequentes
Abtasten und einen Feinbewegungs-Abtastabschnitt zum
hochfrequenten Abtasten unterteilt. Dadurch kann der Hub des
Feinbewegungs-Abtastabschnitts wirkungsvoll verringert und
seine Steifigkeit verbessert werden. Ferner kann die
Abtastgeschwindigkeit und folglich die Informations-Übertragungs-
Geschwindigkeit erhöht werden. Für die Feinbewegungs-
Ansteuerung können die vorherstehend beschriebenen
Feinbewegungs-Ansteuerungen oder Geräte verwendet werden. Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Röhrenscanner mit
einer hohen Eigenfrequenz verwendet. Andererseits wird für
die Grobbewegungs-Ansteuerung eine Parallelfeder-Vorrichtung
mit einem hochfunktionselastischen Drehgelenksmechnismus
verwendet, in dem die Bewegungsfreiheit auf die
Bewegungsrichtung beschränkt ist.
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Durch Verwendung einer Parallelfeder-Vorrichtung mit einem
elastischen Drehgelenksmechanismus für die Grobbewegungs-
Ansteuerung des Aufzeichnungsmediums können Störungen des
Aufzeichnungsmediums bei der Grobbewegung hin zur Richtung
der Aufzeichnungsmediumsoberfläche senkrechten Richtung (d.h.
in der Z-Achsen-Richtung) unterdrückt werden. Daher kann das
Signal-Rauschverhältnis bei der Aufnahme/Wiedergabe
verbessert werden. Darüberhinaus kann der
Grobbewegungs-Bereich vergrößert werden, während die hohe Steifigkeit der
piezoelektrischen Vorrichtung erhalten bleibt.
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Darüberhinaus kann für die verschiedenen dreidimensionalen
Abtastvorrichtungen mit normalen piezoelektrischen
Vorrichungen eine piezolelektrische Vorrichtung vom
zylindrischen Typ mit einer hohen Resonanzfrequenz als
Feinbewegungs-Ansteuerung für die Sondenelektrode verwendet
werden. Dadurch kann die Ansprechfrequenz der Feinbewegungs-
Ansteuerung verbessert und somit die Abtastgeschwindigkeit
erhöht werden. Damit kann die Aufzeichnungsinformation-
Übertragungsgeschwindigkeit verbessert werden.
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Durch die Verwendung eines positionellen Bezugsmusters und
durch die Schaffung von Einheiten für die Aufnahme/Wiedergabe
von Signale, kann die Signalverarbeitung bei der
Aufnahme/Wiedergabe vereinfacht werden.
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Da das positionelle Bezugsmuster zweidimesionale
Informationen aufweist, kann irgendeine positionelle
Abweichung der Aufzeichnungsinformationen aufgrund einer beim
Montieren auf das Gerät hervorgerufenen Drehung oder Störung
des Aufzeichnungsmediums während des Abtastens gelöscht oder
ausgeglichen werden.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Information
nicht als eindimensionale sondern als zweidimensionale
Information behandelt. Dadurch kann bei der Wiedergabe ein
erhöhter Freiheitsgrad hinsichtlich der Positionsänderung
erreicht werden. Folglich können ohne Positionierung mittels
einer Regelung oder dergleichen hochdichte Aufzeichnungs-
Informationen fehlerfrei ausgelesen werden.
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Da die aufgezeichneten Informationen als eine Flächeneinheit
verarbeitet werden, muß die Position des Signals bei der
Aufzeichnung nicht für jedes Abtasten wiedergegeben werden.
Wie in Fig. 66 gezeigt, ist es somit möglich, ein die
Aufzeichnungseinheit darstellendes zweidimensionales Bild und
die positionelle Beziehung zwischen den
Aufzeichnungseinheiten wiederzugeben, vorausgesetzt daß das mittels Abtastung
des gesamten Bereichs erhaltene zweidimensionale Bild
innerhalb des Toleranzbereichs der Bildverarbeitung liegt,
selbst wenn während der Wiedergabe das Abtaststellglied für
eine kurze Zeitdauer aufgrund einer externen Störung nicht
korrekt auf dem aufgezeichneten Signal entspricht. Es treten
daher im wesentlichen keine Probleme bei der Wiedergabe von
Informationen auf. Selbst bei Auftreten von
Ausdehnungen/Kontraktionen des Mediums aufgrund von Temperatur- oder
Feuchteunterschieden zwischen dem Zeitpunkt der Aufnahme und
dem Zeitpunkt der Wiedergabe, stellt die Anderung in dem
erhaltenen zweidimensionalen Bild der Informationen lediglich
eine analoge Deformation des Originalbilds dar, weshalb im
wesentlichen kein Auslesefehler auftritt. Aus einem ähnlichen
Grund können die Aufzeichnungsmedien zwischen verschiedenen
Geräten problemlos ausgetauscht werden.
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Ferner ist für den Einbau des Aufzeichnungsmediums in das
Gerät kein hochgenauer Mechanismus erforderlich. Das
Aufnahme-/Wiedergabegerät kann daher mit geringen Kosten und
in Massenfertigung hergestellt werden.
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Während die Erfindung anhand der in der Beschreibung
offenbarten Strukturen beschrieben wurde, beschränkt sie sich
nicht ausschließlich auf diese Einzelheiten sondern umfaßt
alle Ähderungen oder Modifikationen, die innerhalb des
Bereichs der folgenden Patentansprüche liegen.