DE69216284T2

DE69216284T2 - Sonde mit freitragendem Arm, sowie Rastertunnelstrommikroskop und Informationsverarbeitungsgerät welches dieselbe verwendet

Info

Publication number: DE69216284T2
Application number: DE69216284T
Authority: DE
Inventors: Yutaka C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Hirai; Yuji C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Kasanuki; Masaru C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Nakayama; Yasuhiro C/O Canon Kabushiki Kaish Ohta-Ku Tokyo Shimada; Osamu C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Takamatsu; Takayuki C/O Canon Kabushiki Kaish Ohta-Ku Tokyo Yagi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-04-22
Filing date: 1992-04-21
Publication date: 1997-05-15
Anticipated expiration: 2012-04-22
Also published as: JPH04321954A; US5317152A; JP2884447B2; ATE147163T1; CA2066478C; DE69216284D1; EP0511763B1; EP0511763A2; CA2066478A1; EP0511763A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm für ein Rastertunnelmikroskop und ein mit der Meßfühlereinrichtung versehenes Rastertunnelmikroskop.
Die vorliegende Erfindung betrifft desweiteren ein Informationsverarbeitungsgerät, das durch ein die vorstehend angeführte Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm verwendendes Rastertunnelmikroskopverfahren Informationen aufzeichnet, wiedergibt und löscht.

Verwandter Stand der Technik

In den vergangenen Jahren wurde die Rastertunnelmikroskopie entwickelt, die eine direkte Beobachtung der elektronischen Struktur von Atomen auf der Oberfläche eines Leiters ermöglicht (G. Binnig, et al.: Phys. Rev. Lett. 49, (1982) 57). Mit diesem Verfahren können echte räumliche Bilder sowohl von einkristallinen als auch amorphen Materialien mit äußerst hoher Auflösung (Nanometer oder weniger) gemessen werden. Das Rastertunnelmikroskop verwendet einen Tunnelstrom, der zwischen einer metallischen Spitze und einer elektrisch leitenden Substanz fließt, wenn eine Spannung zwischen der Meßfühlereinrichtung und der Substanz anliegt, die einander auf ungefähr 1 nm angenähert werden. Dieser Tunnelstrom reagiert auf die Änderung des Abstands zwischen diesen beiden sehr empfindlich und verändert sich exponentiell. Dementsprechend kann eine echte räumliche Oberflächenstruktur durch Abtastung der Oberfläche mit der Meßfühlereinrichtung und konstant gehaltenem Tunnelstrom mit einer Auflösung der atomaren Größenordnung beobachtet werden. Die Analyse unter Verwendung des Rastertunnelmikroskops ist auf elektrisch leitende Materialien beschränkt. Jedoch wird das Rastertunnelmikroskop auch für die Strukturanalyse eines Isolationsfilms verwendet, der auf einer Oberfläche eines elektrisch leitenden Materials dünn ausgebildet ist. Ein derartiges Gerät und ein Verfahren sind hinsichtlich der Tatsache vorteilhaft, daß die Beobachtung mit niedriger elektrischer Leistung ohne den Träger zu beeinträchtigen durchgeführt werden kann, da das Gerät und das Verfahren eine Erfassung mit äußerst niedrigem Strom verwenden. Außerdem kann das Gerät in normaler Umgebung betrieben werden und ist bei verschiedenen Anwendungsgebieten vielversprechend.
Insbesondere wird diese Technik in der Praxis als Aufzeichnungs-/Wiedergabegerät hoher Dichte verwendet, wie in den japanischen Patentoffenlegungsschriften Nr. 63-161552, 63- 161553, usw. offenbart ist. Dieses Verfahren verwendet eine der des Rastertunnelmikroskops ähnliche Meßfühlerelektrode und führt eine Aufzeichnung durch Veränderung der Spannung zwischen einer Meßfühlereinrichtung und einem Aufzeichnungsträger durch, wobei der Aufzeichnungstrger ein Material mit speicherbaren Schalteigenschaften bezüglich der Spannungs- Strom-Beziehung ist, wie Dünnfilme aus Chalcogenen und organischen Verbindungen mit π-Elektronensystem. Bei diesem Verfahren wird die Wiedergabe durch Verwendung des Unterschieds des Tunnelwiderstands zwischen einem aufgezeichneten Bereich und einem nicht-aufgezeichneten Bereich verwendet. Bei einem derartigen Aufzeichnungssystem kann ein Aufzeichnungsträger verwendet werden, der seine Oberflächenform durch die an die Spitze angelegte Spannung verändert.
Bei dem Betrieb des Rastertunnelmikroskops oder der Aufzeichnung und Wiedergabe durch Anwendung des Rastertunnelmikroskops ist es wichtig, den Abstand zwischen der Meßfühlereinrichtung und dem Probestück oder dem Aufzeichnungsträger in der Größenordnung von Angström und die zweidimensionale Abtastung mit einer Genauigkeit von mehreren zehn Angström bei der Aufzeichnung und Wiedergabe der zweidimensional angeordneten Informationen zu steuern. Desweiteren wird die gleichzeitige Ansteuerung einer Vielzahl von Meßfühlereinrichtungen (d.h. eine Vervielfachung der Meßfühlereinrichtung) zur Verbesserung der Funktionalität, insbesondere der Beschleunigung des Aufzeichnungs-/Wiedergabesystems vorgeschlagen. Bei den mehreren Meßfühlereinrichtungen muß die relative Position der Meßfühlereinrichtung und des Trägers innerhalb des Bereichs, in dem viele Meßfühlereinrichtungen angeordnet sind, mit der vorstehend beschriebenen Genauigkeit dreidimensional gesteuert werden.
Bisher wurde die Steuerung der Meßfühlereinrichtung durch Verwendung eines geschichteten piezoelektrischen Elements oder eines zylindrischen piezoelektrischen Elements durchgeführt, das meßfühlereinrichtungsseitig oder trägerseitig angebracht ist. Derartige Bauelemente, bei denen eine größere Verschiebung möglich ist, sind nicht für die Integration geeignet und bei der Verwendung für das Aufzeichnungs- /Wiedergabegerät mit mehreren Meßfühlereinrichtungen von Nachteil. Ein Verfahren zur Vermeidung dieses Nachteils besteht darin, daß die Spitze auf einen mehrere hundert µm langen freitragenden Arm angebracht und der freitragende Arm durch ein piezoelektrisches Element angesteuert wird.
Bei einem bekannten Verfahren wird ein freitragender Arm mit einer Mehrschicht-Struktur bestehend aus einem dünnen piezoelektrischen Film, einem metallischen Film, usw. durch Anwendung einer Technik zur Ausbildung einer feinen Struktur auf einem Substrat bei einem Halbleiterherstellungsvorgang hergestellt (T.R. Albrecht, et al.: "Microfabrication of Integrated Scanning Tunneling microscope", Proceedings Fourth International Conference on Scanning Tunneling Microscopy/Spectroscopy, 1990).
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm. Die Meßfühlereinrichtung beinhaltet piezoelektrische dünne Filme 101, 102, piezoelektrische Film-Ansteuerelektroden 103, 103', 105, 106, 106', eine Spitze 108, eine Meßfühlereinrichtungs-Führungselektrode 109, ein Siliziumsubstrat 100 und einen dünnen Si&sub3;N&sub4;-Film 113. Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Rastertunnelmikroskop-Geräts, das die Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm verwendet. Das Rastertunnelmikroskop gemäß dem Blockschaltbild enthält eine eine Vorspannung anlegende Spannungsquelle 201, eine Tunnelstrom-Verstärkungsschaltung 202, eine Armansteuereinrichtung 203, einen freitragenden Arm 204, eine Meßfühlereinrichtung 205 und ein Probestück 206. Der zwischen der Meßfühlereinrichtung 205 und dem Probestück 206 fließende Tunnelstrom It wird erfaßt und die Ansteuerung des Arms erfolgt über eine Rückkopplung, um It konstant zu halten, wodurch der Abstand zwischen der Meßfühlereinrichtung 205 und dem Probestück 206 konstant gehalten wird.
Bei einer herkömmlichen Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm sind eine obere Elektrode, eine untere Elektrode und eine Zwischenelektrode enthaltende piezoelektrische Film- Ansteuerelektroden in der gleichen Breite ausgebildet. Demzufolge wird, wie in Fig. 5 gezeigt, eine Positionsabweichung 110 der Ansteuerelektroden bei der Ausbildung der Struktur der Elektroden wegen einem Ausrichtungsfehler verursacht, was unvorteilhafterweise zu der Änderung der wirksamen Elektrodenbereiche führt. Diese Positionsabweichung tritt bei der Maskenausrichtung bei dem Photolithographievorgang auf und liegt abhangig von der verwendeten Maskenausrichtungseinrichtung üblicherweise innerhalb ±3 µm. Diese Positionsabweichung macht den Bereich zwischen den Gegenelektroden in den Verschiebungsgebieten 111, 111' kleiner als den in den Verschiebungsgebieten 112, 112', was die Verschiebung verringert und unvorteilhafterweise zur Verdrehung des freitragenden Arms führt. Daher wird bei der Verwendung dieses freitragenden Arms bei einem Rastertunnelmikroskop- Betrieb oder Rastertunnelmikroskop-Aufzeichnungs-/Wiedergabegerät die Bewegungsrichtung des freitragenden Arms zum Bewirken einer Positionsabweichung relativ zu der Zugriffkoordinate verändert, wodurch ein stabiler Betrieb schwierig wird. Wenn die Verdrehung größer ist, kann der Endabschnitt des freitragenden Arms eher mit dem Probestück in Berührung gebracht werden als die Meßfühlereinrichtung, was das Probestück oder den Aufzeichnungsträger beschädigen kann.
Die WO-A-8 907 256 offenbart eine Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm, die ein eine Spitze tragendes Verschiebungselement in der Form eines freitragenden Arms aufweist. Das Verschiebungselement besitzt erste und zweite piezoelektrische Filme, die zwischen drei Elektrodenschichten liegen. Die Spitze ist mit einer Führungselektrode verbunden, die sich an einem freien Ende der Oberfläche des Verschiebungselements befindet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung beabsichtigt die Vermeidung der vorstehend beschriebenen Nachteile herkömmlicher Meßfühlereinrichtungen mit freitragendem Arm und die Ausbildung eines Rastertunnelmikroskops, eines Informationsverarbeitungsgeräts und einer dafür verwendeten Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm, die zuverlässig und stabil sind und bei denen der Einfluß der Positionsabweichung der Ansteuerelektrode für den piezoelektrischen Film verringert ist und die Verdrehung des freitragenden Arms im Betrieb dadurch vermindert ist.
Bei der erfindungsgemäßen Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm eines bimorphen Aufbaus ist eine Zwischen-Ansteuerelektrode breiter ausgebildet als die obere und die untere Ansteuerelektrode, so daß sich die Zwischenelektrode an beiden Seiten in der Breitenrichtung erstreckt und die Bereiche des Verschiebungsgebiets der piezoelektrischen Körper sogar dann nicht verringert werden, wenn die Struktur der Ansteuerelektroden mit einer Positionsabweichung ausgebildet werden.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm ausgebildet, mit einem Verschiebungselement in der Form eines freitragenden Arms und einer Spitze, wobei das Verschiebungselement eine erste Elektrodenschicht, einen ersten Film aus piezoelektrischem Material und einen zweiten Film aus piezoelektrischem Material, wobei der erste und der zweite Film auf entgegengesetzten Seiten der ersten Elektrodenschicht geschichtet sind, und eine zweite Elektrodenschicht und eine dritte Elektrodenschicht besitzt, die auf den anderen Oberflächen der Filme aus piezoelektrischem Material geschichtet sind, und wobei die Spitze mit einer an einem freien Ende der Oberfläche des Verschiebungselements befindlichen Führungselektrode verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß beide Enden der ersten Elektrodenschicht über die Enden der zweiten und der dritten Elektrodenschicht in der Breitenrichtung des Arms hinausragen.
Die Unterschiede in der Breite in der Breitenrichtung des Verschiebungselements zwischen der ersten Elektrodenschicht und entweder der zweiten Elektrodenschicht oder der dritten Elektrodenschicht betragen vorzugsweise nicht weniger als das zweifache der maximalen Positionsabweichung bei der Elektrodenausrichtung.
Vorzugsweise enthalten die zweite und die dritte Elektrodenschicht zwei in der Breitenrichtung des Verschiebungselements getrennte Abschnitte.
Eine elektrische Ansteuerquelle zur Verschiebung des Verschiebungselements durch einen umgekehrten piezoelektrischen Effekt ist vorzugsweise mit der ersten, zweiten und dritten Elektrodenschicht verbunden. Vorzugsweise ist der Bereich der ersten Elektrodenschicht größer als jeweils jener der zweiten und dritten Elektrodenschicht. Die erste, die zweite und die dritte Elektrodenschicht sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Rastertunnelmikroskop ausgebildet, mit einer Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung, eine Ansteuereinrichtung zur Verschiebung der Meßfühlereinrichtung, einem Objekttisch zur Positionierung des Probestücks an einem gewünschten Ort hinsichtlich der Spitze, und einer Potentialanlegeeinrichtung zum Anlegen einer Vorspannung zwischen der Spitze und dem Probestück.
Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Informationsverarbeitungsgerät ausgebildet, mit einer Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung, einer Ansteuereinrichtung zur Verschiebung der Meßfühlereinrichtung, einem Objekttisch zur Positionierung eines Aufzeichnungsträgers an einem gewünschten Ort hinsichtlich der Spitze der Meßfühlereinrichtung und einer Potentialanlegeeinrichtung zum Anlegen einer Impulsspannung zwischen der Spitze und dem Aufzeichnungsträger, wobei durch zwischen der Spitze und dem Aufzeichnungsträger fließenden elektrischen Strom Informationen auf den Aufzeichnungsträger geschrieben werden.
Gemäß einem vierten Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Informationsverarbeitungsgerät ausgebildet, mit einer Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung, einer Ansteuereinrichtung zur Verschiebung der Meßfühlereinrichtung, einem Objekttisch zur Positiönierung eines Aufzeichnungsträgers an einem gewünschten Ort hinsichtlich der Spitze und einer Potentialanlegeeinrichtung zum Anlegen einer Vorspannung zwischen der Spitze und dem Aufzeichnungsträger, wobei durch zwischen der Spitze und dem Aufzeichnungsträger fließenden elektrischen Strom Informationen auf dem Aufzeichnungsträger ausgelesen werden.
Das Informationsverarbeitungsgerät gemäß dem vierten Gesichtspunkt der Erfindung kann desweiteren eine erste Potentialanlegeeinrichtung zum Anlegen einer Impulsspannung zwischen der Spitze und dem Aufzeichnungsträger aufweisen, wobei durch zwischen der Spitze und dem Aufzeichnungsträger fließenden elektrischen Strom Informationen auf den Aufzeichnungsträger geschrieben werden.
Bei den vorstehend angeführten Informationsverarbeitungsgeraten kann vorzugsweise ein Aufzeichnungsträger mit elektrischem Speichereffekt verwendet werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Informationsverarbeitungsgeräts.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Rastertunnelmikroskop-Geräts.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm.
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht einer herkömmlichen Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm, bei der eine Positionsabweichung der Elektroden auftritt.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht in einer Breitenrichtung einer erfindungsgemäßen Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm. Zuerst wird auf den unteren Ansteuerelektroden 106, 106' ein erster piezoelektrischer Film 101 ausgebildet. Dann wird darauf durch Ausrichtung bezüglich der unteren Ansteuerelektroden 106, 106' eine Zwischen-Ansteuerelektrode 105 ausgebildet. Um die unteren Ansteuerelektroden 106, 106' unabhängig von einer Positionsabweichung bei der Strukturausbildung zu überdecken, wird die Breite der Zwischen-Ansteuerelektrode 105 vorzugsweise um zumindest das zweifache des maximalen Ausrichtungsfehlers größer als die unteren Ansteuerelektroden 106, 106' ausgebildet. Falls beispielsweise die Breiten der unteren Ansteuerelektroden 106, 106' jeweils 50 µm, der Abstand zwischen den Elektroden 30 µm und die Ausrichtungsgenauigkeit ±2 µm betragen, beträgt die maximale Positionsabweichung 2 µm für eine Seite und die Zwischenelektrode 105 wird um 2 x 2 µm, d.h. 4 µm oder mehr für die beiden Seiten, größer ausgebildet um eine Breite von 134 µm oder mehr zu erhalten. Hier ist die "Breite" der Elektroden der Abstand von einer Kante bis zur gegenüberliegenden Kante. Falls sich die Kante verjüngt, wird die längere Länge der oberen oder unteren Front der Elektrode als die Elektrodenbreite genommen. Danach wird der zweite piezoelektrische Film 102 auf der Zwischen-Ansteuerelektrode 105 ausgebildet und auf dem piezoelektrischen Film 102 werden die oberen Ansteuerelektroden 103, 103' und die Meßfühlereinrichtungs-Führungselektrode 109 auf die Zwischen-Ansteuerelektrode 105 ausgerichtet ausgebildet. Selbst wenn in diesem Schritt eine Positionsabweichung auftritt, wird das Verschiebungsgebiet nicht verringert, da die Zwischen-Ansteuerelektrode, eine Gegenelektrode, um zumindest das Ausmaß des Ausrichtungsfehlers breiter als die oberen und unteren Ansteuerelektroden ausgebildet wird. Danach wird die Spitze ausgebildet und das Substrat unter dem freitragenden Arm wird zur Fertigstellung einer Meßfühlereinrichturig mit freitragendem Arm entfernt.
Die Materialien und das Verfahren zur Herstellung derartiger Ansteuerelektroden und piezoelektrischen Filme sind bereits bekannt, wobei das Verfahren im allgemeinen in der Halbleiterindustrie, bei Photolithographieverfahren und Ätzverfahren verwendete Dünnfilm-Ausbildungsverfahren wie Vakuum-Dampf-Bedampfung, Sputtern und chemische Dampfabscheidung beinhaltet. Die Verfahren zur Herstellung schränken die Erfindung nicht ein.
Ein für die Verwendung bei einem eine Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Träger gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendenden Informationsauf zeichnungsgerät geeigneter Aufzeichnungsträger besteht aus einem Substrat (Elektrodensubstrat) und einer darauf ausgebildeten Aufzeichnungsschicht und zeigt eine Speicher-Schalt-Erscheinung bezüglich der Strom-Spannungs-Eigenschaften (elektrischer Speichereffekt).
Der elektrische Speichereffekt ist eine Erscheinung, bei der die Aufzeichnungsschicht zwei oder mehr Widerstandszustände entsprechend einer anliegenden Spannung annimmt und der Widerstandszustand durch Anlegen einer einen Schwellenwert überschreitenden Spannung oder eines Stroms zur Änderung der Leitfähigkeit der Aufzeichnungsschicht willkürlich verändert wird, während der Zustand beim Anlegen einer Spannung oder eines Stroms, der den Schwellenwert nicht überschreitet, unverändert bleibt.
Die besonderen Beispiele der Materialien für die Aufzeichnungsschicht enthalten die drei folgenden Stoffgruppen.
(1) Amorphe Halbleiter, wie Oxidgläser, Boratgläser und Chalcogenidgläser, die Se, Te oder As zusammen mit einem Element der Gruppe III, IV, V oder VI des Periodensystems enthält.
Dies sind intrinsische Halbleiter mit einem optischen Bandabstand Eg im Bereich von 0.6 bis 1.4 eV oder einer elektrischen Aktivierungsenergie \E im Bereich von ungefähr 0.7 bis ungefähr 1.6 eV. Die besonderen Beispiele für Chalcogenidgläser sind As-Se-Te-Typen, Ge-As-Se-Typen, Si-Ge-As-Te- Typen, wie Si&sub1;&sub6;Ge&sub1;&sub4;As&sub5;Te&sub6;&sub5; (der tiefgestellte Index bezeichnet Atomprozente), Ge-Te-X-Typen und Si-Te-X-Typen (X ist ein kleiner Betrag eines Elements der Gruppe V oder VI), wie Ge&sub1;&sub5;Te&sub8;&sub1;Sb&sub2;s&sub2;. Desweiteren können Ge-Sb-Se-Typen von Chalcogenidgläsern verwendet werden.
Eine durch Abscheidung der vorstehend beschriebenen Verbindung ausgebildete amorphe Halbleiterschicht zeigt den elektrischen Speichereffekt beim Anlegen einer Spannung über die Meßfühlerelektrode in einer zu dem Film senkrechten Richtung.
Die Abscheidung derartiger Materialien kann durch herkömmliche Dünnfilm-Ausbildungsverfahren zufriedenstellend durchgeführt werden. Geeignete Filmausbildungsverfahren sind die Vakuumdampfabscheidung, Cluster-Ionenstrahlverfahren, usw. Der elektrische Speichereffekt derartiger Materialien wird im allgemeinen bei Dicken von einigen µm oder weniger beobachtet. Vorzugsweise beträgt die Dicke 1 µm oder weniger, besser noch 500 Å oder weniger in Anbetracht der Gleichmäßigkeit und der Aufzeichnungseigenschaften. Außerdem wird aufgrund der Aufzeichnungsauflösung des Aufzeichnungsträgers von der Aufzeichnungsschicht verlangt, dünner zu sein. Daher liegt die Filmdicke besser noch im Bereich von 30 bis 200 Å.
(2) Durch Abscheidung eines Salzes eines Metalls mit relativ geringem Reduktionsvermögen wie Kupfer und Silber mit einer Elektronenakzeptor-Verbindung ausgebildete organische Halbleiterschichten.
Elektronenakzeptoren sind Tetracyanoquinodimethan (TCNQ), TCNQ-Derivate, wie beispielsweise Tetrafluorotetracyanoquinodimethan (TCNQF&sub4;), Tetracyanoethylen (TCNE), Tetracyanonaphthoquinodimethan (TNAP) und dergleichen. Eine derartige örganische Haibleiterschicht kann durch Vakuumdampfabscheidung der vorstehend angeführten Elektronenakzeptor-Verbindung an einer Kupfer- oder Silberelektrode ausgebildet werden.
Der elektrische Speichereffekt derartiger organischer Halbleiter wird bei einer Filmdicke von mehreren zehn µm oder weniger beobachtet. In Anbetracht der Film-Ausbildungseigenschaft und der Gleichmäßigkeit beträgt die Dicke vorzugsweise 1 µm oder weniger, und liegt besser noch zwischen 30 bis 500 Å.
(3) Aufzeichnungsträger mit einem Film einer aus einem Molekül mit sowohl einer Gruppe mit π-Elektronenniveaus als auch einer Gruppe mit nur u-Elektronenniveaus bestehenden Substanz.
Das bei der Erfindung zu bevorzugende Färbemittel mit einem π-Elektronensystem enthält Farbstoffe mit einem Porphyrin-Gerüst, wie Phthalocyanin oder Tetraphenylporyhyrin, Farbstoffe vom Azulentyp mit einer Squariliumgruppe und Crocon-Methingruppe als Bindungskette, Farbstoffe vom Cyanintyp, bei denen zwei Stickstoff enthaltende Heterozyklen über eine Squarilimgruppe und eine Crocon-Methingruppe verbunden sind, oder Cyanin-Farbstoffe, kondensierte polyzyklische aromatische Verbindungen, wie Anthrazen und Pyren, durch Polymerisation einer aromatischen Verbindung und einer heterozyklischen Verbindung ausgebildete Kettenverbindungen, Polymere von Diacetylengruppen, Derivate und Analoge von Tetraquinodimethan oder Tetrathiafluvalen und ihre Charge-Transfer- Komplexe und Metallkomplexverbindungen, wie den Ferrozen- und Trisbipyridin-Rutheniumkomplex.
Zusätzlich zu den vorstehend angeführten niedermolekularen Substanzen können auch verschiedene hoch-polymere Substanzen brauchbar sein, wie Kondensationspolymere wie Polyimide, Polyphenylen und Polythiophen, und Bipolymeren, wie Polypeptide und Bacteriorhodopsin.
Der organische Aufzeichnunqsträger kann durch Dampfabscheidung, das Cluster-Ionenstrahlverfahren oder ähnliche Verfahren ausgebildet werden. Jedoch sind unter den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren LB-Verfahren hinsichtlich der Steuerbarkeit, Einfachheit und Wiederholbarkeit der Ausbildung des Trägers sehr zu bevorzugen.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiele ausführlich beschrieben.

Beispiel 1

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht des freitragenden Arms dieses Beispiels. Der freitragende Arm besitzt piezoelektrische Filme 101, 102, obere Ansteuerelektroden 103, 103', eine Zwischen-Ansteuerelektrode 105, untere Ansteuerelektroden 106, 106', eine Spitze 108 und eine Meßfühlereinrichtungs- Führungselektrode 109. Die piezoelektrischen Dünnfilme 101, 102 wurden aus ZnO mit 0.3 µm Dicke mit c-Achsen-Orientierung hergestellt, wobei sie durch Magnetron-Sputtern unter Verwendung eines ZnO-Targets in einer Sauerstoff-Gold-Mischatmosphäre ausgebildet wurden. Die Ansteuerelektroden 103, 103', 105, 106, 106' und die Meßfühlereinrichtungs-Führungselektrode 109 wurden aus Gold mit 0,1 µm Dicke durch Vakuumdampfabscheidung ausgebildet. Der Arm hat eine Länge von 1000 µm und eine Breite von 200 µm.
Die für die Erfindung charakteristische Form der Ansteuerelektroden 103, 103', 105, 106, 106' ist nachstehend beschrieben. Gemäß Fig. 1 haben die oberen Ansteuerelektroden 103, 103' und die unteren Ansteuerelektroden 106, 106' jeweils eine Breite von 70 µm und die Zwischenräume zwischen den Ansteuerelektroden 103, 106 und den anderen Ansteuerelektroden 103', 106' betragen 40 µm in der Breite, wobei die gesamte Breite 180 µm beträgt. Andererseits wurde die Zwischenelektrode 105 derart hergestellt, daß sie eine Breite von 190 µm hat. Bei der Ausbildung der Zwischen-Ansteuerelektrode 105 wurde eine Positionsabweichung von 2 µm verursacht. Jedoch tritt eine der Abweichung zuzuschreibende Verringerung des wirksamen Elektrodenbereichs aufgrund der größeren Breite der Zwischenelektrode nicht auf. Bei der Ausbildung der oberen Ansteuerelektroden 103, 103' wurde eine ähnliche Positionsabweichung verursacht. Die der Abweichung zuzuschreibenden Verkleinerung des wirksamen Eletrodenbereichs tritt auch in diesem Fall nicht auf. Dieser freitragende Arm könnte durch Steuerung der elektrischen Felder für die Ansteuerelektroden 103, 103', 105, 106, 106' dreidimensional angesteuert werden.
Die Zwischenelektrode 105 wird auf Erdpotential gehalten und an die oberen Ansteuerelektroden 103, 103' und die unteren Ansteuerelektroden 106, 106' wird jeweils eine Spannung von +1 V angelegt. Demzufolge wird der Spitzenabschnitt des Arms um 2.2 µm in der Z-Richtung verschoben, ohne den Arm zu verdrehen.
Anstatt wie in diesem Beispiel aus ZnO kann der piezoelektrische Film aus einer anderen piezoelektrischen Substanz, wie AlN, TiBaO, PbZrTiO oder PbTiO hergestellt werden. Die Dimension des Arms ist nicht auf die vorstehenden Werte beschränkt.

Beispiel 2

Ein Rastertunnelmikroskop-Gerät wird durch Verwendung der Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm gemäß dem Beispiel 1 ausgebildet. Das Gerät ist dem in dem Blockschaltbild in Fig. 3 gezeigten ähnlich. Mit diesem Gerät wird eine Spaltoberfläche eines hoch-orientierten Pyrolysegraphits als Probestück bei einem Eingangsruhestrom von 1 nA und einem Abtastbereich von 100A x 100A beobachtet, wodurch ein sehr gutes Atombild erhalten wird.
Desweiteren wird ein kleiner gestufter Abschnitt des hochorientierten Pyrolysegraphit-Substrats mit einem Abtastbereich von 500A x 500A auf ähnlich Weise beobachtet. Die Meßfühlereinrichtung wird einmal von dem Substrat entfernt, und dann die Beobachtung noch einmal durchgeführt. Der gestufte Abschnitt wird an der gleichen Position wie zuvor beobachtet.

Beispiel 3

Es wird ein Informationsgerät beschrieben, das eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Meßfühlereinrichtungen mit freitragendem Arm verwendet.
Fig. 2 zeigt den Aufbau des Hauptabschnitts und das Blockschaltbild des Geräts. Der Aufzeichnungs-/Wiedergabekopf 11 ist mit den erfindungsgemäßen Meßfühlereinrichtungen 12 mit freitragendem Arm versehen. In Fig. 2 ist nur eine Meßfühlereinrichtung gezeigt. Die Vielzahl von Spitzen 13 ist derart angeordnet, daß sie dem Aufzeichnungsträger gleichmäßig gegenüberstehen.
Gemäß Fig. 2 wird unter Verwendung einer Basiselektrode 15 eine Spannung zwischen dem Aufzeichnungsträger 14 zur Aufzeichnung von Informationen und den Meßfühlereinrichtungen angelegt. Der Aufzeichnungsträger 14 wird von einer Aufzeichnungsträger-Halteeinrichtung 16 gehalten. Der Aufzeichnungsträger ist derart hergestellt, daß auf einem Substrat, wie beispielsweise einem Quarz-Substrat, Cr in einer Dicke von 50 Å durch Vakuumdampfabscheidung und darauf Au in einer Dicke von 300 Å durch das gleiche Verfahren abgeschieden wird und darauf desweiteren SOAZ (Squarilium-bis-6-Octylazulen) durch ein LB-Verfahren in vier Schichten geschichtet wird. Der sich daraus ergebende Träger zeigt einen elektrischen Speichereffekt. Die aufzuzeichnenden Daten werden durch eine Datenmodulationsschaltung 17 in ein für die Aufzeichnung geeignetes Signal umgewandelt. Das durch die Datenmodulationsschaltung modulierte Signal wird auf dem Aufzeichnungsträger 14 durch Anlegen einer Spannung zwischen der Basiselektrode 15 und der Spitze 13 mittels einer Aufzeichnungsspannungs-Anlegeeinrichtung 18 aufgezeichnet. Die Spitze 13 wird mit einen vorbestimmten Abstand nahe an den Aufzeichnungsträger 14 gebracht. Eine Spannung, die den Schwellenwert zur Verursachung einer Leitfähigkeitsänderung bei dem Aufzeichnungsträger überschreitet, wie beispielsweise eine Rechteck-Impulsspannung von 3 V und einer Breite von 50 ns, wird mittels der Aufzeichnungsspannungs-Anlegeeinrichtung 18 an den Aufzeichnungsträger angelegt. Dadurch wird der Aufzeichnungsträger zur Ausbildung von Abschnitten mit geringem elektrischen Widerstand in seinen Eigenschaften lokal verändert. Dieser Vorgang wird durch Abtastung des Aufzeichnungsträgers 14 mit der Spitze unter Verwendung eines X-Y-Objekttisches 19 zur Aufzeichnung der Informationen durchgeführt. Die Abtastung unter Verwendung des X-Y- Objekttisches 19 wird durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Steuereinrichtung gesteuert, wie ein zylindrischen Piezostellglied, eine parallele Feder, ein Differential- Micrometer, eine Schwingspule, eine Feineinstellungsschnecke und dergleichen.
Die Aufzeichnungsspannungs-Anlegeeinrichtung 18 wird auch zum Löschen aufgezeichneter Bits verwendet. Die Spitze 13 wird mit einem vorbestimmten Abstand nahe an das aufgezeichnete Bit auf dem Aufzeichnungsträger 14 gebracht. Eine Spannung wird angelegt, die den Schwellenwert überschreitet, beispielsweise eine Dreiecks-Impulsspannung von 7 V und einer Breite von 50 ns, um die Eigenschaften der aufgezeichneten Bits zum Angleichen des elektrischen Widerstands der aufgezeichneten Bits an den des Abschnitts ohne Bits lokal zu verändern.
Eine Aufzeichnungssignal-Erfassungsschaltung 20 erfaßt einen auf das Anlegen einer Vorspannung hin zwischen der Spitze 13 und dem Aufzeichnungsträger 14 hin fließenden Tunnelstrom. Eine Datenmodulationsschaltung 21 moduliert durch die Aufzeichnungssignal-Erfassungsschaltung 20 erfaßte Tunnelstromsignale. Bei der Wiedergabe wird die Spitze 13 in einem vorbestimmten Abstand zu dem Aufzeichnungsträger 14 gehalten und eine Spannung zwischen der Spitze 13 und dem Aufzeichnungsträger 14 angelegt, die die Schwellenspannung zur Verursachung einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bei dem Aufzeichnungsträger nicht überschreitet, beispielsweise eine Gleichspannung von 200 mV. In diesem Zustand entspricht das Tunnelstromsignal, das unter Verwendung der Aufzeichnungssignal-Erfassungsschaltung 20 während der Abtastung der Aufzeichnungsdatenzeile auf dem Aufzeichnungsträger 14 erfaßt wird, dem aufgezeichneten Datensignal. Daher wird das erfaßte Tunnelstromsignal nach einer Strom-Spannungs-Umwandlung ausgegeben und durch eine Datendemodulationsschaltung zum Erhalt eines wiedergegebenen Datensignals demoduliert.
Eine Meßfühlereinrichtungs-Höhenerfassungsschaltung 22 empfängt die erfaßten Signale von der Aufzeichnungssignal- Erfassungsschaltung 20, trennt von diesem die durch das Vorhandensein von Informationsbits verursachte hochfrequente Schwingung, verarbeitet die resultierenden Signale und sendet Befehlssignale zu einer x-z-Achsen-Ansteuerungsschaltung 24, um die Spitzen zum Konstanthalten des Signals ohne Hochfrequenzanteile vertikal zu bewegen. Dadurch wird der Abstand zwischen den Spitzen 13 und dem Träger 14 annähernd konstant gehalten.
Eine Spurerfassungsschaltung 23 erfaßt die Spur, auf der die durch die Spitze 13 zugeführten Daten aufgezeichnet sind, oder eine Abweichung der Meßfühlereinrichtung von der (nachstehend als "Spur" bezeichneten) aufgezeichneten Datenzeile während der Abtastung des Aufzeichnungsträgers 14 mit der Spitze 13.
Wie vorstehend beschrieben, ist es erforderlich, daß der Arm mittels der Ansteuerungsschaltung 24 derart verschoben wird, daß sich die Meßfühlereinrichtung durch die Anpassung des Abstands zwischen der Spitze 13 und dem Träger 14 zur Spurführung schwingend bewegt.
Die Aufzeichnungs-/Wiedergabeschaltung 25 besteht aus der Datenmodulationsschaltung 17, der Aufzeichnungsspannungs- Anlegeeinrichtung 18, der Aufzeichnungssignal-Erfassungsschaltung 20, der Datendemodulationsschaltung 21, der Meßfühlereinrichtungs-Höhenerfassungsschaltung 22, der Spurerfassungsschaltung 23, der z-Achsen-Ansteuerungsschaltung 24 und der x-y-Achsen-Ansteuerungsschaltung 24. Das Aufzeichnungs-/Wiedergabegerät umfaßt die vorstehend angeführten Aufzeichnungs-/Wiedergabeschaltungen 25 und eine Zentraleinheit (CPU) 26 zur Steuerung der Schaltung.
Es wurde bestätigt, daß das erfindungsgemäße Informationsverarbeitungsgerät unter der Verwendung der gleichen Meßfühlereinrichtungen Informationen mit ausreichender Wiederholbarkeit dauerhaft schreiben, lesen und löschen kann.
Wie vorstehend beschrieben, wird bei einer Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm die Verdrehung des Arms beim Betrieb verhindert, indem die Breite der Zwischen-Ansteuerelektrode größer als die Breiten der anderen Ansteuerelektroden gemacht wird, um die durch die Positionsabweichung bei der Ausbildung der Ansteuerelektroden verursachte Verkleinerung der wirksamen Elektrodenbereiche zu vermeiden. Ein den vorstehend beschriebenen Arm verwendendes Rastertunnelmikroskop oder Informationsverarbeitungsgerät wird stabil und zuverlassig gemacht, da keine Positionsabweichung relativ zu den Zugriffskoordinaten auftritt.

Claims

1. Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm, mit einem Verschiebungselement in der Form eines freitragenden Arms und einer Spitze (108),

wobei das Verschiebungselement eine erste Elektrodenschicht (105), einen ersten Film aus piezoelektrischem Material (101) und einen zweiten Film aus piezoelektrischem Material (102), wobei der erste und der zweite Film (101, 102) auf entgegengesetzten Seiten der ersten Elektrodenschicht (105) geschichtet sind, und eine zweite Elektrodenschicht (103, 103') und eine dritte Elektrodenschicht (106, 106') besitzt, die auf den anderen Oberflächen der Filme aus piezoelektrischem Material (101, 102) geschichtet sind, und

wobei die Spitze (108) mit einer an einem freien Ende der Oberfläche des Verschiebungselements befindlichen Führungseiektrode (109) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß beide Enden der ersten Elektrodenschicht (105) über die Enden der zweiten und der dritten Elektrodenschicht in der Breitenrichtung des Arms hinausragen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterschiede in der Breite in der Breitenrichtung des Verschiebungselements zwischen der ersten Elektrodenschicht (105) und entweder der zweiten Elektrodenschicht (103, 103') oder der dritten Elektrodenschicht (106, 106') nicht weniger als zweimal die maximale Positionsabweichung bei der Elektrodenausrichtung betragen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die zweite (103, 103') als auch die dritte (106, 106') Elektrodenschicht zwei in der Breitenrichtung des Verschiebungselements getrennte Abschnitte enthalten.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der ersten Elektrodenschicht (105) größer als der entweder der zweiten (103, 103') oder der dritten (106, 106') Elektrodenschicht ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (105), zweite (103, 103') und dritte (106, 106') Elektrodenschicht parallel zueinander angeordnet sind.

6. Rastertunnelmikroskop, mit

einer Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,

einer Ansteuereinrichtung zur Verschiebung der Meßfühlereinrichtung (205),

einem Objekttisch zur Positionierung eines Probestücks (206) an einem gewünschten Ort hinsichtlich der Spitze und

einer Potentialanlegeeinrichtung (201) zum Anlegen einer Vorspannung zwischen der Spitze (108) und dem Probestück (206).

7. Informationsverarbeitungsgerät, mit

einer Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,

einer Ansteuereinrichtung zur Verschiebung der Meßfühlereinrichtung (12),

einem Objekttisch (19) zur Positionierung eines Aufzeichnungsträgers an einem gewünschten Ort hinsichtlich der Spitze der Meßfühlereinrichtung und

einer Potentialanlegeeinrichtung (17, 18) zum Anlegen einer Impulsspannung zwischen der Spitze (13) und dem Aufzeichnungsträger (14), wobei

durch zwischen der Spitze (13) und dem Aufzeichnungsträger (14) fließenden elektrischen Strom Informationen auf den Aufzeichnungsträger (14) geschrieben werden.

8. Informationsverarbeitungsgerät, mit

einer Meßfühlereinrichtung mit freitragendem Arm (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

einer Ansteuereinrichtung zur Verschiebung der Meßfühlereinrichtung,

einem Objekttisch zur Positionierung eines Aufzeichnungsträgers (14) an einem gewünschten Ort hinsichtlich der Spitze und

einer Potentialanlegeeinrichtung zum Anlegen einer Vorspannung zwischen der Spitze (13) und dem Aufzeichnungsträger (14), wobei

durch zwischen der Spitze (13) und dem Aufzeichnungsträger fließenden elektrischen Strom Informationen auf dem Aufzeichnungsträger (14) ausgelesen werden.

9. Gerät nach Anspruch 8, desweiteren mit

einer ersten Potentialanlegeeinrichtung (17, 18) zum Anlegen einer Impulsspannung zwischen der Spitze und dem Aufzeichnungsträger (14), wobei durch zwischen der Spitze (13) und dem Aufzeichnungsträger (14) fließenden elektrischen Strom Informationen auf den Aufzeichnungsträger (14) geschrieben werden.