JP2000206126A - Minute cantilever and apparatus utilizing minute force - Google Patents

Minute cantilever and apparatus utilizing minute force

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JP2000206126A
JP2000206126A JP11008978A JP897899A JP2000206126A JP 2000206126 A JP2000206126 A JP 2000206126A JP 11008978 A JP11008978 A JP 11008978A JP 897899 A JP897899 A JP 897899A JP 2000206126 A JP2000206126 A JP 2000206126A
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JP
Japan
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cantilever
probe
silicon
micro
oxide film
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Application number
JP11008978A
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Japanese (ja)
Inventor
Sumio Hosaka
純男 保坂
Atsushi Kikukawa
敦 菊川
Kimitoshi Eto
公俊 江藤
Hajime Koyanagi
肇 小柳
Akimasa Onozato
陽正 小野里
Takeshi Murayama
健 村山
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Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Hitachi Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make highly accurately and easily formable a minute cantilever having a low spring constant and a high resonance frequency by controlling the thickness by a semiconductor lithography technique, and forming the cantilever and a cantilever support stage of different materials on the same face. SOLUTION: A silicon active layer 4 of an SOI(silicon on insulator) wafer is anisotropically etched, thereby forming an active layer part 7 to be a cantilever support stage. A silicon oxide film 5 is etched thereby forming square through windows 8. Square prisms 9 are formed to a silicon substrate 6 with using the oxide film 5 as a mask. A cantilever material such as silicon nitride or the like is vapor deposited to form a cantilever film 10, on which a photoresist pattern for the cantilever is formed by a photolithography technique. The cantilever is formed by reactive ion etching with using the photoresist pattern as a mask. The silicon substrate part 6 and silicon oxide film 5 are removed at the end. The minute cantilever with a probe 1' is thus formed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は原子間力のような微
小力の検出に使用するカンチレバ、特に、カンチレバの
長さが短い寸法を有する微小カンチレバおよびその応用
装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cantilever used for detecting a small force such as an atomic force, and more particularly to a small cantilever having a short cantilever and a device for applying the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、情報化社会の進展は目覚ましく、
より多くの情報を記憶できる技術の開発が要求されてい
る。現在、ディスク型ファイルメモリの研究分野では磁
気記録及び光記録の高密度化が進められている。200
5年には、数十Gb/in2の記録密度になると予測さ
れ、上記記録方法は限界に近づくものと考えられてい
る。
2. Description of the Related Art In recent years, the progress of the information society has been remarkable,
There is a demand for the development of technology that can store more information. At present, in the field of research on disk-type file memories, higher densities of magnetic recording and optical recording are being promoted. 200
It is predicted that the recording density will be several tens of Gb / in 2 in five years, and the above recording method is considered to approach the limit.

【0003】この限界を打破する方法の1つにAFM
(原子間力顕微鏡)記録法がある。この記録方法で非常
に重要な要素として原子間力を検出するカンチレバがあ
る。現状では、バネ定数が小さい(<2N/m)カンチ
レバの共振周波数は最高で約80KHzであり、この周
波数では高速読み出しには不十分である。少なくとも、
読み出し速度10Mb/sを達成するためには、バネ定
数が小さく、共振周波数が5MHz以上が必要である。
One of the ways to overcome this limitation is AFM.
(Atomic force microscope) There is a recording method. A very important factor in this recording method is a cantilever that detects an atomic force. At present, the resonance frequency of a cantilever having a small spring constant (<2 N / m) is about 80 KHz at the maximum, and this frequency is insufficient for high-speed reading. at least,
In order to achieve a read speed of 10 Mb / s, the spring constant must be small and the resonance frequency must be 5 MHz or more.

【0004】これまでに、よりバネ定数が小さいカンチ
レバを提案するものとして、SOI(シリコン・オン・
インシュレータ)ウェハを用い、活性層をカンチレバと
したシリコンカンチレバがジャナル・オブ・バキューム
・サイエンス・アンド・テクノロジ(J. of Vacuum Scie
nce and Technology)第B15巻(1997)第788
頁ー第792頁に、さらに、シリコン異方性エッチング
によってシリコン基板上に形成された4角錐を鋳型とし
て窒化シリコン膜の形成により形成した窒化シリコンカ
ンチレバがジャナル・オブ・バキューム・サイエンス・
アンド・テクノロジ(J. of Vacuum Science and Techno
logy)第A8巻(1990)第3386頁−第3396頁
に開示されている。
Until now, SOI (silicon on silicon) has been proposed as a proposal of a cantilever having a smaller spring constant.
Silicon cantilever using an insulator) wafer and an active layer as a cantilever has been replaced by J. of Vacuum Scie
nce and Technology) Volume B15 (1997) No. 788
Pp. 792, a silicon nitride cantilever formed by forming a silicon nitride film using a quadrangular pyramid formed on a silicon substrate by silicon anisotropic etching as a template, and the Journal of Vacuum Science.
J. of Vacuum Science and Techno
A8 (1990) pp. 3386-3396.

【0005】図2はこれらの提案よるカンチレバの構造
を示す斜視図である。1はカンチレバであり、その先端
部には探針1’が形成されている。3はガラス部材から
できたカンチレバ支持台である。カンチレバ1と探針
1’とは、たとえば、シリコン鋳型を用いた窒化シリコ
ン膜を作成する半導体リソグラフィ技術によって一体的
に形成することが可能であるが、カンチレバ1の基部を
カンチレバ支持台3と結合する必要があり、たとえば、
陽極接合技術によって両者の一体化を行っている。
FIG. 2 is a perspective view showing the structure of the cantilever proposed in these proposals. Reference numeral 1 denotes a cantilever, at the tip of which a probe 1 'is formed. Reference numeral 3 denotes a cantilever support made of a glass member. The cantilever 1 and the probe 1 ′ can be integrally formed by, for example, a semiconductor lithography technique for forming a silicon nitride film using a silicon mold. The base of the cantilever 1 is connected to the cantilever support 3. Must be, for example,
Both are integrated by anodic bonding technology.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、形成されたカンチレバのサイズが設計値からどれだ
けずれているか、その誤差が非常に問題となる。高速化
するためには、カンチレバの長さを、より短く、さら
に、厚さは非常に薄くする必要がある。具体的には、上
記目標(共振周波数>5MHz, バネ定数<2N/m)を
実現するためには、カンチレバの長さ<5μm, 厚さ<
0.1μmとする必要がある。
In the above-mentioned prior art, it is very important how much the size of the formed cantilever deviates from the design value and the error. In order to increase the speed, it is necessary to shorten the length of the cantilever and further reduce the thickness. Specifically, in order to achieve the above-mentioned target (resonance frequency> 5 MHz, spring constant <2 N / m), the length of the cantilever <5 μm and the thickness <
It must be 0.1 μm.

【0007】SOI(シリコン・オン・インシュレー
タ)ウェハを用いたシリコンカンチレバでは、シリコン
の活性層をエッチングするため、カンチレバの厚さ制御
が非常に難しい。また、上述したシリコン鋳型を用いた
窒化シリコン膜のカンチレバ製作工程では、カンチレバ
1とガラス支持台3との接合に陽極接合法を用いるた
め、両者の間に大きな合わせ誤差(約25μm)が発生
する。図2を参照して明らかなように、たとえば、10
μmの長さのカンチレバを作ったつもりでも、25μm
の合わせ誤差があれば、実質的に35μmのカンチレバ
となってしまう。これは、カンチレバの共振周波数を低
下させることになり、合わせ誤差は1μm以下とする必
要があり、従来技術では非常に困難な課題である。ま
た、原子間力顕微鏡においても、共振周波数の高いカン
チレバは最小検出力が小さくなり、力検出感度が向上す
る。
In a silicon cantilever using an SOI (silicon on insulator) wafer, it is very difficult to control the thickness of the cantilever because an active layer of silicon is etched. In addition, in the above-described cantilever manufacturing process of the silicon nitride film using the silicon mold, since the anodic bonding method is used for bonding the cantilever 1 and the glass support 3, a large alignment error (about 25 μm) occurs between them. . As is apparent with reference to FIG.
Even if you intend to make a cantilever with a length of μm,
If there is a misalignment, the cantilever becomes substantially 35 μm. This lowers the resonance frequency of the cantilever, and the alignment error needs to be 1 μm or less, which is a very difficult problem with the prior art. Also in an atomic force microscope, a cantilever having a high resonance frequency has a small minimum detection power, and the force detection sensitivity is improved.

【0008】本発明の目的は、上記従来技術が有する技
術的課題を解決し、高精度な膜厚制御法を有し、かつカ
ンチレバと支持台との合わせ誤差が1μm以下の高精度
合わせ機能をもつことができるカンチレバ構造を持ち、
高共振周波数及び低バネ定数をもつ微小カンチレバを提
供すると共に、これを用いた微小力利用装置を提供する
ことにある。
An object of the present invention is to solve the technical problems of the prior art, provide a highly accurate film thickness control method, and provide a highly accurate alignment function in which the alignment error between the cantilever and the support is 1 μm or less. Has a cantilever structure that can be held,
An object of the present invention is to provide a micro cantilever having a high resonance frequency and a low spring constant, and to provide a micro force utilizing device using the micro cantilever.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、半導体リソグラフィ技術が全工程で使用でき、厚さ
制御ができる方式を採用することにより、カンチレバと
カンチレバ支持台とが同一面に自動的に形成できる構造
とした。
In order to achieve the above object, the cantilever and the cantilever support stand are automatically placed on the same surface by adopting a method in which semiconductor lithography technology can be used in all processes and the thickness can be controlled. It can be formed into a structure.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】図1(a)に本発明の提案するカ
ンチレバの斜視図を、(b)に同断面図を示す。1はカ
ンチレバであり、その先端部には探針1’が形成されて
いる。2はカンチレバ支持台である。カンチレバ1と探
針1’とを、従来技術と同様に、半導体リソグラフィ技
術によって一体的に形成するとともに、カンチレバ1の
基部を保持するカンチレバ支持台2をも半導体リソグラ
フィ技術によって一体化されたものとなっている。
1A is a perspective view of a cantilever proposed by the present invention, and FIG. 1B is a sectional view of the same. Reference numeral 1 denotes a cantilever, at the tip of which a probe 1 'is formed. 2 is a cantilever support. The cantilever 1 and the probe 1 'are integrally formed by a semiconductor lithography technique as in the prior art, and the cantilever support 2 for holding the base of the cantilever 1 is also integrated by the semiconductor lithography technique. Has become.

【0011】本発明では、半導体リソグラフィ技術を適
用する基板部をそのままカンチレバ支持台として利用で
きるようにすることで、カンチレバ1とカンチレバ支持
台2とは精密に位置あわせすることが可能である。もち
ろんカンチレバの厚さは蒸着等の手段で精度良く形成で
きるのはもちろん、探針1’もカンチレバの形成過程で
一体形成できる。以下具体的な形成手順について説明す
る。
In the present invention, the cantilever 1 and the cantilever support 2 can be precisely aligned by using the substrate to which the semiconductor lithography technique is applied as it is as the cantilever support. Of course, the thickness of the cantilever can be accurately formed by means such as vapor deposition, and the probe 1 'can be integrally formed during the process of forming the cantilever. Hereinafter, a specific forming procedure will be described.

【0012】実施例1 図3はSOI(シリコン・オン・インシュレータ)ウェ
ハを用いたプロセスの流れを示す。(a)に示すように
SOIウェハを用意する。 SOIウェハは、よく知ら
れているように、シリコン基板6、基板6上に形成され
た酸化シリコン膜5および酸化シリコン膜上に形成され
たシリコン活性層4よりなる3層構造である。まず、図
3(b)のように、シリコン活性層4をKOHエッチン
グ液を用いて異方性エッチングしてカンチレバ支持台と
なるべき活性層7の部分を形成する。次に、図3(c)
のように、シリコン酸化膜5をフッ酸によりエッチング
して四角の貫通窓8を形成する。図3(d)のように、
この酸化膜をマスクとしてKOHエッチング液を用いて
異方性エッチングによりシリコン基板6に四角錐9を形
成する。次に、これに図3(e)のように、カンチレバ
材10(たとえば、窒化シリコン)を低圧化学気相堆積
法(LP−CVD)によって蒸着してカンチレバ膜を作
り、この膜の上にホトリソグラフィ技術(ここではステ
ッパを使用)でカンチレバ1のためのホトレジストパタ
ーンを形成する。このレジストパターンをマスクにし
て、反応性イオンエッチングによりカンチレバ1を形成
する。最後に、図3(f)のようにシリコン基板6部分
とシリコン酸化膜5をエッチングにより除去して、カン
チレバを作製する。
Embodiment 1 FIG. 3 shows a process flow using an SOI (silicon-on-insulator) wafer. An SOI wafer is prepared as shown in FIG. As is well known, the SOI wafer has a three-layer structure including a silicon substrate 6, a silicon oxide film 5 formed on the substrate 6, and a silicon active layer 4 formed on the silicon oxide film. First, as shown in FIG. 3B, the silicon active layer 4 is anisotropically etched using a KOH etchant to form a portion of the active layer 7 to be a cantilever support. Next, FIG.
As described above, the silicon oxide film 5 is etched with hydrofluoric acid to form a square through window 8. As shown in FIG.
Using the oxide film as a mask, a pyramid 9 is formed on the silicon substrate 6 by anisotropic etching using a KOH etching solution. Next, as shown in FIG. 3E, a cantilever material 10 (for example, silicon nitride) is deposited by low-pressure chemical vapor deposition (LP-CVD) to form a cantilever film. A photoresist pattern for the cantilever 1 is formed by a lithography technique (here, a stepper is used). Using the resist pattern as a mask, the cantilever 1 is formed by reactive ion etching. Finally, as shown in FIG. 3F, the silicon substrate 6 and the silicon oxide film 5 are removed by etching to produce a cantilever.

【0013】このようにすることにより、探針1’付き
で、長さ<10μm, 厚さ<0.1μmの微小カンチレ
バが信頼性良く形成できる。
In this manner, a small cantilever having a length of <10 μm and a thickness of <0.1 μm with the probe 1 ′ can be formed with high reliability.

【0014】尚、探針1’の尖鋭化は、従来技術である
低温酸化及び酸化膜エッチングにより行うことができ
る。また、カンチレバ材10にはプラズマCVD法で形
成した窒化シリコン、シリコン酸化膜、ポリシリコン、
あるいは金属膜等を用いることができる。このカンチレ
バ使用時には、片面あるいは両面に金あるいは白金など
を蒸着して使用する。
The sharpening of the probe 1 'can be carried out by low-temperature oxidation and oxide film etching, which are conventional techniques. The cantilever material 10 includes silicon nitride, a silicon oxide film, polysilicon formed by a plasma CVD method,
Alternatively, a metal film or the like can be used. When the cantilever is used, gold or platinum is vapor-deposited on one or both sides.

【0015】本実施例において、探針を形成するための
4角錐の鋳型を低温酸化及びエッチングにより尖鋭化す
ることが有効である。また、カンチレバ及び探針を多層
膜で形成するのも良い。
In this embodiment, it is effective to sharpen a quadrangular pyramid mold for forming a probe by low-temperature oxidation and etching. Further, the cantilever and the probe may be formed of a multilayer film.

【0016】実施例2 図4は、SOIウェハの代わりにシリコンウェハ30を
用いたプロセス例である。基本的には、同じ工程であ
る。
Embodiment 2 FIG. 4 shows an example of a process using a silicon wafer 30 instead of an SOI wafer. Basically, the process is the same.

【0017】まず、図4(a)に示すようにシリコンウ
ェハ30を用意する。図4(b)のように、シリコンウ
ェハ30をKOHエッチング液を用いて異方性エッチン
グしてカンチレバ支持台となるべき構造の部分7’(破
線より上の部分)を形成する。ただし、この実施例で
は、シリコン酸化膜5がないため、エッチングの停止時
に注意を払う必要がある。また、後段のステップの説明
から自ずと明らかになるように、このカンチレバ支持台
となるべき構造の部分7’を形成するためのエッチング
の深さは、この部分7’(破線より上の部分)の厚さよ
り酸化膜11の厚さだけ厚くすることが必要である。次
に、図4(c)のように、酸化膜11を形成した後、こ
のシリコン酸化膜11をフッ酸によりエッチングして四
角の貫通窓8を形成する。図4(d)のように、この酸
化膜11をマスクとしてKOHエッチング液を用いて異
方性エッチングによりシリコン基板30に四角錐9を形
成する。次に、これに図4(e)のように、カンチレバ
材10(たとえば、窒化シリコン)を低圧化学気相堆積
法(LP−CVD)によって形成してカンチレバ膜を作
り、この膜の上にホトリソグラフィ技術(ここではステ
ッパを使用)でカンチレバ1のためのホトレジストパタ
ーンを形成する。このレジストパターンをマスクにし
て、反応性イオンエッチングによりカンチレバ1を形成
する。最後に、図4(f)のようにシリコン基板30部
分とシリコン酸化膜11をエッチングにより除去して、
カンチレバ支持台となるべき構造の部分7’(破線より
上の部分)と一体的に構成されたカンチレバを作製す
る。この場合は、図3の実施例と異なり、シリコン基板
30部分とシリコン酸化膜11部分とをエッチングする
ことになるから、エッチング材の選択、エッチング速度
等に注意を払い、実質的にカンチレバ1の底面とカンチ
レバ支持台となるべき構造の部分7’の底面とが一致す
るようにする必要がある。
First, as shown in FIG. 4A, a silicon wafer 30 is prepared. As shown in FIG. 4B, the silicon wafer 30 is anisotropically etched using a KOH etching solution to form a portion 7 '(a portion above the broken line) of a structure to be a cantilever support. However, in this embodiment, since there is no silicon oxide film 5, it is necessary to pay attention when the etching is stopped. As will be apparent from the description of the subsequent steps, the etching depth for forming the portion 7 'of the structure to be the cantilever support is determined by the depth of the portion 7' (the portion above the broken line). It is necessary to make the oxide film 11 thicker than the thickness. Next, as shown in FIG. 4C, after an oxide film 11 is formed, the silicon oxide film 11 is etched with hydrofluoric acid to form a square through window 8. As shown in FIG. 4D, the pyramid 9 is formed on the silicon substrate 30 by anisotropic etching using the oxide film 11 as a mask and a KOH etching solution. Next, as shown in FIG. 4E, a cantilever material 10 (for example, silicon nitride) is formed by low-pressure chemical vapor deposition (LP-CVD) to form a cantilever film. A photoresist pattern for the cantilever 1 is formed by a lithography technique (here, a stepper is used). Using the resist pattern as a mask, the cantilever 1 is formed by reactive ion etching. Finally, the silicon substrate 30 and the silicon oxide film 11 are removed by etching as shown in FIG.
A cantilever integrally formed with a portion 7 '(a portion above a broken line) of a structure to be a cantilever support is produced. In this case, unlike the embodiment of FIG. 3, since the silicon substrate 30 and the silicon oxide film 11 are etched, attention should be paid to the selection of the etching material, the etching rate, etc. It is necessary to make the bottom face coincide with the bottom face of the part 7 'of the structure to be the cantilever support.

【0018】図5は、そのための工夫の一例を説明する
図であり、簡略のため、右半分についてのみ示した。
(a)にはSi基板30をエッチングにより除去するス
テップの結果を示し、(b)にはシリコン酸化膜11を
エッチングにより除去するステップの結果を示す。Si
基板30をエッチングにより除去するステップでは、カ
ンチレバー1の部分の厚さを光の透過によりモニターし
て、カンチレバ材10とシリコン酸化膜11のみとなっ
た状況を検出したら、シリコン酸化膜11の厚さ相当だ
けさらにSi基板30のエッチングによる除去が進むの
を待つ。この結果、(a)に示すように、カンチレバ支
持台となるべき構造の部分7’(破線より上の部分)の
Si基板30とシリコン酸化膜11を残してエッチング
がなされる。次いでシリコン酸化膜11のエッチングに
よる除去に移る。この場合、シリコン酸化膜11の厚さ
に応じてエッチング時間を制御することにより、(b)
に示すように、シリコン酸化膜11のカンチレバ1の部
分は除去され、カンチレバ支持台となるべき構造の部分
7’と、これでカバーされているシリコン酸化膜11が
残される。シリコン酸化膜11のエッチングの際(破線
より上の部分)、Si基板30も少しエッチングされる
から、これを考慮して(a)の段階のエッチング時間を
制御するのが良い。
FIG. 5 is a diagram for explaining an example of a device for this purpose. For simplification, only the right half is shown.
(A) shows the result of the step of removing the Si substrate 30 by etching, and (b) shows the result of the step of removing the silicon oxide film 11 by etching. Si
In the step of removing the substrate 30 by etching, the thickness of the portion of the cantilever 1 is monitored by light transmission, and when the situation where only the cantilever material 10 and the silicon oxide film 11 are detected is detected, the thickness of the silicon oxide film 11 is determined. It waits for the removal of the Si substrate 30 by etching to progress considerably. As a result, as shown in (a), etching is performed leaving the Si substrate 30 and the silicon oxide film 11 in the portion 7 '(the portion above the broken line) of the structure to be a cantilever support. Next, the process proceeds to removal of the silicon oxide film 11 by etching. In this case, by controlling the etching time according to the thickness of the silicon oxide film 11, (b)
As shown in FIG. 7, the portion of the cantilever 1 of the silicon oxide film 11 is removed, leaving a portion 7 'of a structure to be a cantilever support and the silicon oxide film 11 covered by the portion. When the silicon oxide film 11 is etched (the portion above the broken line), the Si substrate 30 is also slightly etched. Therefore, it is preferable to control the etching time in the step (a) in consideration of this.

【0019】厳密に見れば、カンチレバ1の底面と支持
台となるべき構造の部分7’とが同一平面とは言えない
可能性があるが、実質的には、使用に支障の無い範囲の
同一平面が実現できる。
Strictly speaking, the bottom surface of the cantilever 1 and the portion 7 'of the structure to be a support may not be flush with each other. A plane can be realized.

【0020】本実施例においても、探針を形成するため
の4角錐の鋳型を低温酸化及びエッチングにより尖鋭化
することが有効である。また、カンチレバ及び探針を多
層膜で形成するのも良い。
Also in this embodiment, it is effective to sharpen a quadrangular pyramid mold for forming a probe by low-temperature oxidation and etching. Further, the cantilever and the probe may be formed of a multilayer film.

【0021】実施例3 図6は、微小カンチレバの応用装置の例として、AFM
(原子間力顕微鏡)技術を用いた記録装置の一例を示す
概略図である。装置は、AFMヘッド、回転機構系及び
制御系から構成されている。 AFMヘッドは探針1’
及び片持ち針(カンチレバ)1からなるAFM探針2
7、探針1’に加わる力を検出する光てこ検出系、記録
用圧電素子25、探針27を制御する機構系(XYZス
キャナ14)から構成されている。光てこ検出系は、基
本的に、図のようにレーザ源23と光ビーム12の位置
検出器24から構成されている。尚、カンチレバの背面
(探針1’のついていない面)には金薄膜あるいは白金
を約30nm蒸着してレーザの反射率を高めている。こ
こでは、粗動機構、探針接近後退機構や、探針シーク機
構は省略しているが当然備わっているものである。回転
機構系はモータ22、軸受け(省略)、ディスクテーブ
ル(省略)から構成されている。このテーブルの上にデ
ィスク26を設置して記録、読み出し、消去を行う。制
御系20は光ビーム12の位置検出器24から得られる
信号15から探針1’位置情報を得て、位置の制御、記
録信号の検出、書き込み信号の発生などを行う。16は
探針1’位置情報の取り込み、トラッキング、探針1’
位置の3次元制御を行う検出/制御系である。ディスク
は案内溝つきの表面構造を持った記録基板26がディス
クテーブルの上に設置され、読み出し、書き込み、消去
等が行われる。
Embodiment 3 FIG. 6 shows an AFM as an example of an application device of a micro cantilever.
It is the schematic which shows an example of the recording device using the (atomic force microscope) technique. The device includes an AFM head, a rotation mechanism system, and a control system. AFM head is probe 1 '
AFM probe 2 consisting of a cantilever and a cantilever 1
7. An optical lever detection system for detecting a force applied to the probe 1 ', a recording piezoelectric element 25, and a mechanism system (XYZ scanner 14) for controlling the probe 27. The optical lever detection system basically includes a laser source 23 and a position detector 24 of the light beam 12 as shown in the figure. A 30 nm gold thin film or platinum is deposited on the back surface of the cantilever (the surface where the probe 1 'is not attached) to increase the laser reflectance. Here, although the coarse movement mechanism, the probe approach / retreat mechanism, and the probe seek mechanism are omitted, they are naturally provided. The rotating mechanism system includes a motor 22, a bearing (omitted), and a disk table (omitted). The disk 26 is placed on this table to perform recording, reading, and erasing. The control system 20 obtains the position information of the probe 1 ′ from the signal 15 obtained from the position detector 24 of the light beam 12, and performs position control, detection of a recording signal, generation of a write signal, and the like. Numeral 16 denotes probe 1 'capture of position information, tracking, and probe 1'.
This is a detection / control system that performs three-dimensional position control. The disk has a recording substrate 26 having a surface structure with a guide groove placed on a disk table, on which reading, writing, erasing and the like are performed.

【0022】案内溝がV溝の場合、カンチレバ27の裏
面から反射されたレーザ光12は位置検出器24に入射
する。この位置検出器24は2次元の位置センサーや4
分割光検出器でよい。ここでは後者の光検出器を示して
いる。V溝が探針1’に捻れるように作用されると、ラ
テラル力として検出される。光検出器24の4つの光検
出器から出てきた出力信号を従来方法で捻れ方向を検出
するように演算することによりこの力は検出される。探
針1’がV溝の中央から離れる事により正あるいは負方
向に出力信号が変化する。この特性はV溝内ではほぼ直
線的に変化する。この特性を利用して、ラテラル力の変
化からV溝の中心部からのずれを検出し、XYZスキャ
ナ14を制御して探針1’をV溝の中心にくるように常
に制御する。一方、探針1’が記録ビットの上にくる
と、探針1’が深く記録基板26の中に入り込み、記録
ビットを検出する。この時の探針1’の入り込み量の増
分はdZとなる。この量は光検出器24内に設けた回路
網で演算されコンタクト信号として検出される。10k
H以下の動きはディスク26の歪みに起因するものであ
りサーボ回路16でXYZスキャナ14を使用して探針
1’のZ方向の制御が行われる。一定の力で探針1’が
ディスク26にコンタクトしているように制御される。
速い変化1MHz以上の変化は信号と判断して情報とし
て制御系内に取り込み、読み出しが行われる。
When the guide groove is a V-shaped groove, the laser beam 12 reflected from the back surface of the cantilever 27 enters the position detector 24. This position detector 24 is a two-dimensional position sensor or 4
A split photodetector may be used. Here, the latter photodetector is shown. When the V-groove is twisted on the probe 1 ', it is detected as a lateral force. This force is detected by computing the output signals from the four photodetectors of photodetector 24 to detect the direction of twist in a conventional manner. As the probe 1 'moves away from the center of the V-groove, the output signal changes in the positive or negative direction. This characteristic changes almost linearly in the V groove. Utilizing this characteristic, a deviation from the center of the V-groove is detected from a change in the lateral force, and the XYZ scanner 14 is controlled to always control the probe 1 'to be at the center of the V-groove. On the other hand, when the probe 1 'comes over the recording bit, the probe 1' penetrates deeply into the recording substrate 26 to detect the recording bit. At this time, the increment of the penetration amount of the probe 1 'is dZ. This amount is calculated by a network provided in the photodetector 24 and detected as a contact signal. 10k
The movement below H is caused by distortion of the disk 26, and the servo circuit 16 controls the probe 1 'in the Z direction using the XYZ scanner 14. The probe 1 'is controlled so as to be in contact with the disk 26 with a constant force.
A fast change of 1 MHz or more is judged as a signal, taken into the control system as information, and read out.

【0023】このように従来から使用されているカンチ
レバでは高速な読み出しが不可能であったが、本発明の
カンチレバを用いると、10MHz以上の信号を読み出
すことができる。また、書き込みは記録基板をポリカー
ボネイトを使用することにより行うことができる。加圧
用圧電素子25を用いて、探針1’の加圧変調により高
速にポリカーボネイト基板にピット(凹構造)書き込む
ことができる。本発明の探針を使用すれば、AFM記録
方式で、0.5μm以下のトラックピッチあるいはトラ
ック長を有する超高密度記録ビット列を従来から用いら
れているボール軸受けあるいは液体軸受けを有す回転機
構系を使用しても読み取り誤差無く、高速に読み出すこ
とができる。
As described above, high-speed reading was not possible with a conventionally used cantilever, but a signal of 10 MHz or more can be read by using the cantilever of the present invention. Writing can be performed by using polycarbonate for the recording substrate. By using the pressing piezoelectric element 25, pits (concave structure) can be written on the polycarbonate substrate at high speed by the pressure modulation of the probe 1 '. When the probe of the present invention is used, an AFM recording system is used to rotate a super-high-density recording bit string having a track pitch or track length of 0.5 μm or less to a rotating mechanism system having a ball bearing or a liquid bearing conventionally used. Can be read at high speed without reading errors.

【0024】また、本発明の探針をプローブ顕微鏡の原
子間力検出にしようすれば原子間力検出感度は従来よ
り、約1桁から2桁向上できる。これにより、現状より
さらに1桁以上の空間分解能が改善される。さらに、試
料の物性検出においても1桁以上の高感度計測ができ
る。本発明の適用範囲は、原子間力顕微鏡、磁気力顕微
鏡、容量顕微鏡、近接場光顕微鏡、ケルビンフォース顕
微鏡、マクセル顕微鏡、走査熱顕微鏡、ポテンショメト
リー等の原子間力を利用する顕微鏡である。
Further, if the probe of the present invention is used for detecting the atomic force of a probe microscope, the sensitivity for detecting the atomic force can be improved by about one to two orders of magnitude. As a result, the spatial resolution is improved by one digit or more compared to the current state. Furthermore, high-sensitivity measurement of one digit or more can be performed in the detection of physical properties of a sample. The scope of the present invention is a microscope using an atomic force such as an atomic force microscope, a magnetic force microscope, a capacity microscope, a near-field light microscope, a Kelvin force microscope, a Maxell microscope, a scanning heat microscope, and a potentiometer.

【0025】実施例4 図7は、微小カンチレバの応用装置の例として、AFM
(原子間力顕微鏡)技術を用いた記録装置の他の例を示
す概略図、図8はその光学系の説明図である。
Embodiment 4 FIG. 7 shows an AFM as an example of an application device of a micro cantilever.
FIG. 8 is a schematic diagram showing another example of a recording apparatus using (atomic force microscope) technology, and FIG. 8 is an explanatory diagram of the optical system.

【0026】122はディスク駆動用のモータ、102
はディスク記録媒体であり、モータ122により、記録
媒体102が回転駆動される。1’は探針、1はカンチ
レバである。これらは不純物元素をドープしたSiによ
り、カンチレバ1の先端部に探針1’が形成され、カン
チレバ1はその基部に取り付けられ、基部とともに、一
体構造として半導体製造技術により作られる。加圧変調
記録を行う場合、ディスク記録媒体102は、当然のこ
とながら、探針1’より柔らかい材料が選ばれる。25
は圧電素子であり、その一端にカンチレバ1の基部を保
持する。探針1’の先端は、例えば、曲率半径20nm
以下に形成される。
Reference numeral 122 denotes a motor for driving the disk, 102
Denotes a disk recording medium, and the recording medium 102 is rotationally driven by a motor 122. 1 'is a probe, and 1 is a cantilever. In these, a probe 1 ′ is formed at the tip of the cantilever 1 by Si doped with an impurity element, and the cantilever 1 is attached to the base thereof, and is formed together with the base as an integral structure by a semiconductor manufacturing technique. When the pressure modulation recording is performed, a material softer than the probe 1 ′ is naturally selected for the disk recording medium 102. 25
Is a piezoelectric element, which holds the base of the cantilever 1 at one end. The tip of the probe 1 ′ has, for example, a curvature radius of 20 nm.
It is formed below.

【0027】108はパルス電圧源であり、記録媒体1
02に記録すべき信号150を与えられるとともに、こ
れに応じて圧電素子25に電圧パルス19を印加する。
圧電素子25に電圧パルス19が印加されると、探針
1’には次式に示す力Fが加えられ、探針1’は記録媒
体102側に押し込まれ、この機械的圧力によって記録
媒体102には記録すべき信号に応じた凹構造103が
形成される。
Reference numeral 108 denotes a pulse voltage source, and the recording medium 1
02 is supplied with a signal 150 to be recorded, and a voltage pulse 19 is applied to the piezoelectric element 25 in response to the signal 150.
When the voltage pulse 19 is applied to the piezoelectric element 25, a force F expressed by the following equation is applied to the probe 1 ', and the probe 1' is pushed into the recording medium 102 side, and the mechanical pressure causes the recording medium 102 Has a concave structure 103 corresponding to a signal to be recorded.

【0028】F=kX ここで、kはカンチレバのバネ定数、Xはカンチレバ1
が反った量(変位)である。いま、バネ定数kおよび変
位Xを、それぞれ、1N/mおよび1μmとすると探針
1’に作用する力Fは10-6Nとなる。この力の大きさ
は、記録媒体102の材料にも依るが、記録データとし
ての塑性変形を起こすには十分な大きさである。
F = kX where k is the spring constant of the cantilever, and X is the cantilever 1
Is the amount of warpage (displacement). Now, assuming that the spring constant k and the displacement X are 1 N / m and 1 μm, respectively, the force F acting on the probe 1 ′ is 10 −6 N. The magnitude of this force depends on the material of the recording medium 102, but is large enough to cause plastic deformation as recording data.

【0029】圧電素子25はZ-微動装置124に保持さ
れる。Z-微動装置124はZ-粗動装置126に保持され
る。Z-粗動装置126は記録媒体102の半径方向駆動
装置128に保持される。120は総合制御装置であ
り、外から記録指示信号W、読み出し指示信号Rおよび
記録信号WDを入力され、読み出し信号RDを外に出力
する。また、総合制御装置120はモータ122への駆
動信号121、半径方向駆動装置128への駆動信号1
27、Z駆動制御装置130への制御信号129および
記録信号WDに対応した記録媒体102に記録すべき信
号150を出力するとともに、カンチレバ回転角検出器
50のポジションセンサ49の出力100を入力とする
Z駆動制御装置130から得られる読み出し信号を信号
線151を介して総合制御装置120へ送り、読み出し
信号RDとして外に出力する。制御信号129は、探針
101と記録媒体102との相対的な位置関係の初期状
態を設定するためのトリガーとして使用されるものであ
る。
The piezoelectric element 25 is held by the Z-fine movement device 124. The Z-fine movement device 124 is held by the Z-coarse movement device 126. The Z-coarse movement device 126 is held by a radial drive device 128 of the recording medium 102. Reference numeral 120 denotes a general control device, which receives a recording instruction signal W, a reading instruction signal R, and a recording signal WD from outside and outputs the reading signal RD to outside. Further, the general control device 120 outputs a drive signal 121 to the motor 122 and a drive signal 1 to the radial drive device 128.
27, a control signal 129 to the Z drive control unit 130 and a signal 150 to be recorded on the recording medium 102 corresponding to the recording signal WD are output, and the output 100 of the position sensor 49 of the cantilever rotation angle detector 50 is input.
A read signal obtained from the Z drive control device 130 is sent to the general control device 120 via a signal line 151, and is output to the outside as a read signal RD. The control signal 129 is used as a trigger for setting an initial state of a relative positional relationship between the probe 101 and the recording medium 102.

【0030】モータ122、Z-微動装置124、および
Z-粗動装置126はそれぞれの駆動信号121,12
3,125および127により駆動される。モータ12
2および半径方向駆動装置128は図示を省略した記録
再生装置本体部分に保持される。したがって、探針1’
は駆動信号123、125および127に応じて記録媒
体102の表面を移動するとともに、電圧パルス19が
印加されたとき記録媒体102の表面に記録すべき信号
150に応じた凹構造103を形成する。
Motor 122, Z-fine movement device 124, and
The Z-coarse movement device 126 has respective drive signals 121, 12
Driven by 3,125 and 127. Motor 12
2 and the radial driving device 128 are held by a recording / reproducing device main body (not shown). Therefore, probe 1 '
Moves on the surface of the recording medium 102 according to the drive signals 123, 125, and 127, and forms the concave structure 103 corresponding to the signal 150 to be recorded on the surface of the recording medium 102 when the voltage pulse 19 is applied.

【0031】なお、本実施例の記録再生装置は、図に示
したように記録媒体102を回転させるものに限られる
ものではなくXY方向に駆動するものであっても良い。
The recording / reproducing apparatus according to the present embodiment is not limited to the apparatus for rotating the recording medium 102 as shown in the figure, but may be an apparatus for driving in the XY direction.

【0032】次に、カンチレバ回転角検出器50につい
て説明する。回転角検出器50は記録された情報を読み
出すための働きをするとともに、探針1’の初期状態を
設定するためにも利用される。
Next, the cantilever rotation angle detector 50 will be described. The rotation angle detector 50 functions to read recorded information and is also used to set an initial state of the probe 1 '.

【0033】41は半導体レーザ、42はコリメータレ
ンズである。半導体レーザ41のレーザ光放射面は、コ
リメータレンズ42の焦点位置におかれている。よっ
て、半導体レーザ41から放射されたレーザ光は、コリ
メータレンズ42によって平行光に変換される。この平
行光の光束をビームスプリッタ45を通過させ、対物レ
ンズ46で集光させてカンチレバ1’の先端部に焦点を
結ばせる。カンチレバ1’の先端部の表面上で反射され
た光は対物レンズ46で平行光に変換される。反射面が
対物レンズ46の光軸に対して鉛直であれば、反射光の
光束は、カンチレバ1への入射光路をそのまま引き返
し、ビームスプリッタ45に達する。反射光はビームス
プリッタ45で光路を90°曲折されてポジションセン
サ49に達する。反射面が対物レンズ46の光軸に対し
て鉛直から予定の微小範囲内で回転している場合は、反
射光の光束は、カンチレバ1への入射光路から幾分ずれ
るが、ビームスプリッタ45の有効範囲内を引き返し、
ビームスプリッタ45で光路を90°曲折されてポジシ
ョンセンサ49に達する。このカンチレバ回転角検出器
50は、モータ122および半径方向駆動装置128と
同様に、図示を省略した記録再生装置本体部分に保持さ
れる。
Reference numeral 41 denotes a semiconductor laser, and reference numeral 42 denotes a collimator lens. The laser light emitting surface of the semiconductor laser 41 is located at the focal position of the collimator lens 42. Therefore, the laser light emitted from the semiconductor laser 41 is converted into parallel light by the collimator lens 42. The light beam of the parallel light passes through the beam splitter 45, and is condensed by the objective lens 46 to focus on the tip of the cantilever 1 '. The light reflected on the surface of the tip of the cantilever 1 ′ is converted into parallel light by the objective lens 46. If the reflecting surface is perpendicular to the optical axis of the objective lens 46, the light flux of the reflected light returns the incident light path to the cantilever 1 as it is, and reaches the beam splitter 45. The reflected light is bent by 90 ° in the optical path by the beam splitter 45 and reaches the position sensor 49. When the reflection surface is rotated within a predetermined minute range from the vertical with respect to the optical axis of the objective lens 46, the light flux of the reflected light is slightly deviated from the optical path incident on the cantilever 1, but the beam splitter 45 is effective. Return within range,
The optical path is bent by 90 ° by the beam splitter 45 and reaches the position sensor 49. The cantilever rotation angle detector 50 is held by a recording / reproducing apparatus main body (not shown), similarly to the motor 122 and the radial driving device 128.

【0034】ここで、探針1’初期設定について簡単に
説明する。本実施例では、回転角検出器50はカンチレ
バ1が自由状態にあるときはポジションセンサ49から
の出力が無い、換言すれば、カンチレバ1からの反射光
はポジションセンサ49のフォトダイオード上に無い状
態になるものとされる。この状態で、記録指示信号Wあ
るいは読み出し指示信号Rが総合制御装置120に与え
られると、総合制御装置120からZ駆動制御装置13
0への制御信号129が出力される。Z駆動制御装置1
30は、これを受けるとZ-粗動装置126に駆動信号1
25を与える。これにより、カンチレバ1は記録媒体1
02の表面に接近して行き、表面から力を受けて回転を
始める。その結果、カンチレバ1からの反射光SPがポ
ジションセンサ49の検出面(フォトダイオード)上に
表われるようになる。したがって、Z駆動制御装置13
0は制御信号129を受けた後、ポジションセンサ49
の出力が所定の状態に変化した段階で粗動操作を停止す
れば、探針1の初期設定は完了する。
Here, the initial setting of the probe 1 'will be briefly described. In this embodiment, the rotation angle detector 50 has no output from the position sensor 49 when the cantilever 1 is in a free state, in other words, there is no reflected light from the cantilever 1 on the photodiode of the position sensor 49. It is assumed to be. In this state, when the recording instruction signal W or the reading instruction signal R is given to the general control device 120, the general control device 120
A control signal 129 to 0 is output. Z drive controller 1
30 receives this signal and sends a drive signal 1 to the Z-coarse movement device 126.
Give 25. Thereby, the cantilever 1 becomes the recording medium 1
02 approaches the surface and begins to rotate by receiving force from the surface. As a result, the reflected light SP from the cantilever 1 appears on the detection surface (photodiode) of the position sensor 49. Therefore, the Z drive control device 13
0 is the position sensor 49 after receiving the control signal 129.
When the coarse movement operation is stopped at the stage when the output changes to the predetermined state, the initial setting of the probe 1 is completed.

【0035】次に、記録動作について説明する。記録指
示信号Wに応じて、上述したようにして初期化が完了す
ると、例えば、信号線151を介して初期化完了が総合
制御装置120に送られる。これを受けて、総合制御装
置120は入力された記録信号WDに応じて記録すべき
信号150をパルス電圧源108に送るとともに、モー
タ122への駆動信号121を送る。これによって、記
録媒体102には凹構造103が形成されて記録信号W
Dに応じた記録がなされる。この場合、凹構造103が
形成されるとともにカンチレバ1が回転するが、これを
ポジションセンサ49の出力によって検出してZ-微動装
置124およびZ-粗動装置126により、カンチレバ1
を追従させるものとすれば、探針1’に作用する力を一
定に保持することができる。
Next, the recording operation will be described. When the initialization is completed in accordance with the recording instruction signal W as described above, the completion of the initialization is sent to the general control device 120 via the signal line 151, for example. In response to this, the general controller 120 sends a signal 150 to be recorded according to the input recording signal WD to the pulse voltage source 108 and sends a drive signal 121 to the motor 122. As a result, a concave structure 103 is formed in the recording medium 102 and the recording signal W
Recording according to D is performed. In this case, the concave structure 103 is formed and the cantilever 1 rotates. This is detected by the output of the position sensor 49 and the Z-fine movement device 124 and the Z-coarse movement device 126 cause the cantilever 1 to rotate.
, The force acting on the probe 1 ′ can be kept constant.

【0036】次に、読み出し動作について説明する。読
み出し指示信号Rに応じて、上述したようにして初期化
が完了すると、例えば、信号線151を介して初期化完
了が総合制御装置120に送られる。これを受けて、総
合制御装置120はモータ122への駆動信号121を
送るとともに半径方向駆動装置128に駆動信号127
を与える。これによって、記録媒体102の記録トラッ
クに沿って探針1’を移動させることができる。もちろ
んトラッキング自体は重要な技術であるが、すでに種々
の技術が提案されており、これらの内の適当なものを選
択して採用することができる。例えば、本願の発明者ら
の提案した米国特許5,808,977も光てこ方式を
利用するトラッキング方法を提案するものであるから効
果的に利用できる。記録媒体102の回転に応じて探針
1’が凹構造103の位置に来る時とそうでない時があ
る。本実施例では、初期化は凹構造103の位置でない
状態を前提になされているから、探針1’が凹構造10
3の位置に来ると、ポジションセンサ49の受けるカン
チレバ1の反射光は急激に変化する。これを検出すれば
凹構造103があることが検知できるから、この変化を
読み出し信号として信号線151を通して総合制御装置
120に送れば、読み出し信号RDを得ることができ
る。この場合も、記録時と同様、カンチレバ1の回転を
検出してZ-微動装置124およびZ-粗動装置126によ
り、カンチレバ1を追従させるものとすれば、探針1’
に作用する力を一定に保持することができる。
Next, the read operation will be described. When the initialization is completed as described above in response to the read instruction signal R, for example, the completion of the initialization is sent to the general control device 120 via the signal line 151. In response, the general control device 120 sends a drive signal 121 to the motor 122 and sends a drive signal 127 to the radial drive device 128.
give. Thus, the probe 1 'can be moved along the recording track of the recording medium 102. Of course, the tracking itself is an important technique, but various techniques have already been proposed, and an appropriate one can be selected and adopted. For example, U.S. Pat. No. 5,808,977 proposed by the inventors of the present application proposes a tracking method using an optical lever system, and thus can be effectively used. Depending on the rotation of the recording medium 102, there are times when the probe 1 'comes to the position of the concave structure 103 and times when it does not. In this embodiment, since the initialization is performed on the assumption that the position is not the position of the concave structure 103, the probe 1 'is
At the position 3, the reflected light of the cantilever 1 received by the position sensor 49 changes abruptly. If this is detected, the presence of the concave structure 103 can be detected, and if this change is sent as a read signal to the general control device 120 via the signal line 151, the read signal RD can be obtained. Also in this case, as in the case of recording, if the rotation of the cantilever 1 is detected and the cantilever 1 is made to follow by the Z-fine movement device 124 and the Z-coarse movement device 126, the probe 1 '
Can be kept constant.

【0037】このカンチレバをAFM記録に用いれば、
1Tbit(1012bit)/in2の超高密度記録も
可能と共に、読み出し速度も10Mb/s以上と高速化
が実現できる。
If this cantilever is used for AFM recording,
Ultra high-density recording of 1 Tbit (10 12 bits) / in 2 is possible, and the reading speed can be increased to 10 Mb / s or more.

【0038】次に、カンチレバ回転角検出器50を光学
系を中心に、図8を用いて、より詳細に説明する。
Next, the cantilever rotation angle detector 50 will be described in more detail with reference to FIG.

【0039】半導体レーザ41のレーザ光放射面は、コ
リメータレンズ42の焦点位置におかれている。よっ
て、半導体レーザ41から放射されたレーザ光は、コリ
メータレンズによって平行光に変換される。この平行光
の光束は、偏光ビームスプリッタ45に入射する。半導
体レーザから放射されるレーザ光は、一般に直線偏光で
ある。今、図8の半導体レーザから放射されるレーザ光
の偏波面が紙面に平行な方向を向いているとする。そし
て、偏光ビームスプリッタ45は、図8のようにレーザ
光を入射させた際にほぼ全てのレーザ光をカンチレバ1
の方向へ反射するように調整してある。偏光ビームスプ
リッタ45で反射された光束は、1/4波長板44で円
偏光に変換された後、対物レンズ46で集光されてカン
チレバ1の表面上に焦点を結ぶ。カンチレバ1表面上で
反射された光は、今度は対物レンズ46で平行光に変換
される。被測定物の反射面が対物レンズの光軸に対して
鉛直であれば、反射光の光束は、カンチレバ1への入射
光路をそのまま引き返し、偏光ビームスプリッタ45に
達する。ただし、この時、途中1/4波長板44を通過
するので、また、入射光と反対方向に回転する円偏光で
あるから1/4波長板44を通過した反射光は、紙面と
直交する偏波面を有する直線偏光になっている。偏光ビ
ームスプリッタ45に入射した反射光は偏光ビームスプ
リッタ45をほぼ全て透過し、ポジションセンサ49に
達する。そして、このポジションセンサ49に達した反
射光の光束の位置変化は、例えば、2分割あるいは4分
割フォトダイオード上に出来る光スポットの位置変化と
して検出される。
The laser light emitting surface of the semiconductor laser 41 is located at the focal point of the collimator lens 42. Therefore, the laser light emitted from the semiconductor laser 41 is converted into parallel light by the collimator lens. The light flux of the parallel light enters the polarization beam splitter 45. Laser light emitted from a semiconductor laser is generally linearly polarized light. Now, it is assumed that the plane of polarization of the laser light emitted from the semiconductor laser of FIG. 8 is oriented in a direction parallel to the paper. Then, the polarization beam splitter 45 converts almost all the laser light into the cantilever 1 when the laser light enters as shown in FIG.
It is adjusted to reflect in the direction of. The light beam reflected by the polarization beam splitter 45 is converted into circularly polarized light by the quarter-wave plate 44, and then condensed by the objective lens 46 to focus on the surface of the cantilever 1. The light reflected on the surface of the cantilever 1 is converted into parallel light by the objective lens 46 this time. If the reflection surface of the object to be measured is perpendicular to the optical axis of the objective lens, the light beam of the reflected light returns the incident light path to the cantilever 1 as it is, and reaches the polarization beam splitter 45. However, at this time, since the light passes through the quarter-wave plate 44 in the middle and is circularly polarized light rotating in the opposite direction to the incident light, the reflected light passing through the quarter-wave plate 44 is polarized light orthogonal to the paper surface. It is linearly polarized light having a wavefront. Almost all the reflected light that has entered the polarization beam splitter 45 passes through the polarization beam splitter 45 and reaches the position sensor 49. The change in the position of the light flux of the reflected light that reaches the position sensor 49 is detected as, for example, a change in the position of a light spot formed on a two- or four-division photodiode.

【0040】ここで、カンチレバ1が図8に示すように
紙面内で角度θだけ回転したとする。尚、対物レンズ4
6とカンチレバ1間の距離変化は無視できる程度である
とする。この場合、カンチレバ1表面で反射された光束
の中心は、ポジションセンサ49は図8に示すように入
射光の光束中心に対して2θの角度をなす向きに反射さ
れる。従って、θが十分に小さいものとし、また、対物
レンズ46の焦点距離をLとすると、対物レンズ46に
達した反射光の光束中心は、入射光の光束中心から2θ
L偏っている。反射光は、対物レンズ46でこの光束中
心の偏りを持った平行光に変換され、偏光ビームスプリ
ッタ45を透過してポジションセンサ49に達する。従
って、光束中心の偏りが光スポット径に対して十分に小
さければ、この位置に置かれたポジションセンサ49の
出力は、変位角θに比例して変化する。
Here, it is assumed that the cantilever 1 is rotated by an angle θ in the plane of the drawing as shown in FIG. In addition, the objective lens 4
It is assumed that the change in distance between 6 and the cantilever 1 is negligible. In this case, the center of the light beam reflected by the surface of the cantilever 1 is reflected by the position sensor 49 in a direction at an angle of 2θ to the center of the light beam of the incident light as shown in FIG. Therefore, assuming that θ is sufficiently small and the focal length of the objective lens 46 is L, the luminous flux center of the reflected light that has reached the objective lens 46 is 2θ from the luminous flux center of the incident light.
L is biased. The reflected light is converted by the objective lens 46 into parallel light having a deviation of the center of the light flux, and passes through the polarization beam splitter 45 to reach the position sensor 49. Therefore, if the deviation of the center of the light beam is sufficiently smaller than the diameter of the light spot, the output of the position sensor 49 placed at this position changes in proportion to the displacement angle θ.

【0041】その他の実施例 さらに、本発明のカンチレバは、微細加工に応用するこ
とができる。例えば、AFMリソグラフィとして用いる
ことができる。この場合、探針1’及びカンチレバ1は
導電性膜にするか、あるいは導電性膜を蒸着する必要が
ある。そのほか、力を用いた加工、インデンテーション
に応用することもできる。また、AFM等の原子間力を
利用する顕微鏡においても高感度の力検出が実現でき
る。
Other Embodiments Further, the cantilever of the present invention can be applied to fine processing. For example, it can be used as AFM lithography. In this case, the probe 1 'and the cantilever 1 need to be formed of a conductive film or a conductive film is deposited. In addition, it can be applied to processing using force and indentation. In addition, even with a microscope using an atomic force such as an AFM, force detection with high sensitivity can be realized.

【0042】なお、カンチレバ1の素材は、実施例のシ
リコン窒化膜にかぎられることはなく、たとえば、シリ
コン酸化膜で形成されるものとしても良い。
The material of the cantilever 1 is not limited to the silicon nitride film of the embodiment, but may be formed of, for example, a silicon oxide film.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、2
N/m以下の低バネ定数で1MHz以上の高共振周波数
をもつ微小カンチレバを、高精度でかつ容易に形成する
ことができる。
As described above, according to the present invention, 2
A minute cantilever having a low spring constant of N / m or less and a high resonance frequency of 1 MHz or more can be easily formed with high accuracy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a)、(b)は本発明に係わるカンチレバの
基本的構成を示す斜視図、断面図。
FIGS. 1A and 1B are a perspective view and a sectional view showing a basic configuration of a cantilever according to the present invention.

【図2】従来技術で陽極接合を用いたカンチレバの構成
を示す斜視図。
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a cantilever using anodic bonding in a conventional technique.

【図3】本発明に係わるカンチレバを製作するためのS
OIウェハを用いたプロセスフローを示す図。
FIG. 3 shows an S for manufacturing a cantilever according to the present invention.
The figure which shows the process flow using an OI wafer.

【図4】本発明に係わるカンチレバを製作するためのシ
リコンウェハを用いたプロセスフローを示す図。
FIG. 4 is a view showing a process flow using a silicon wafer for manufacturing a cantilever according to the present invention.

【図5】シリコン基板部分とシリコン酸化膜部分とをエ
ッチングすることになるプロセスフローを説明する図。
FIG. 5 is a diagram illustrating a process flow for etching a silicon substrate portion and a silicon oxide film portion.

【図6】本発明に係わるカンチレバ応用装置の例とし
て、AFMを利用した超高密度記録装置の実施例を示す
概略図。
FIG. 6 is a schematic diagram showing an embodiment of an ultra-high-density recording device using an AFM as an example of a cantilever application device according to the present invention.

【図7】本発明に係わる微小カンチレバの応用装置の例
として、AFMを利用した超高密度記録装置の他の実施
例を示す概略図。
FIG. 7 is a schematic diagram showing another embodiment of an ultra-high-density recording device using an AFM as an example of an application device of a micro cantilever according to the present invention.

【図8】図7の光学系の説明図。FIG. 8 is an explanatory diagram of the optical system of FIG. 7;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…カンチレバ、1’…探針、2…カンチレバ支持台、
3…ガラス支持台、4…シリコン活性層、5…絶縁物
(酸化シリコン)、6…シリコン基板、7…支持台、8
…四角の窓、9…四角錐の穴、10…カンチレバ膜(窒
化シリコン)、11…酸化シリコン、12…光ビーム、
14…XYZスキャナ、15…光検出器から出力信号、1
6…検出/制御系(サーボ回路)、17…Z方向探針位
置制御信号、18…XY方向探針位置制御信号、19…
書き込み信号、20…記録装置制御系、21…回転機構
制御信号、22…モータ、23…レーザ源、24…位置
検出器(ポジションセンサ)、25…書き込み用(加圧
変調)圧電素子、26…記録気ディスク(ポリカーボネ
イト)、27…本発明の微小カンチレバ、30…半導体
基板(シリコン基板)。
1 ... cantilever, 1 '... probe, 2 ... cantilever support,
3 ... Glass support, 4 ... Silicon active layer, 5 ... Insulator (silicon oxide), 6 ... Silicon substrate, 7 ... Support, 8
... square window, 9 ... square pyramid hole, 10 ... cantilever film (silicon nitride), 11 ... silicon oxide, 12 ... light beam,
14 ... XYZ scanner, 15 ... Output signal from photodetector, 1
6 ... Detection / control system (servo circuit), 17 ... Z direction probe position control signal, 18 ... XY direction probe position control signal, 19 ...
Write signal, 20: recording device control system, 21: rotation mechanism control signal, 22: motor, 23: laser source, 24: position detector (position sensor), 25: writing (pressure modulation) piezoelectric element, 26 ... Recording air disk (polycarbonate), 27: micro cantilever of the present invention, 30: semiconductor substrate (silicon substrate).

フロントページの続き (72)発明者 菊川 敦 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者 江藤 公俊 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者 小柳 肇 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者 小野里 陽正 東京都千代田区大手町二丁目6番2号(日 本ビル) 日立建機株式会社内 (72)発明者 村山 健 東京都千代田区大手町二丁目6番2号(日 本ビル) 日立建機株式会社内 Fターム(参考) 2F063 AA43 CA12 DA01 DD02 EA16 EB05 EB15 EB23 JA04 2F069 AA60 DD15 GG04 GG06 GG07 HH04 HH30 MM04 RR03 5D119 AA11 AA22 BA01 BB02 CA20 DA01 DA05 EC24 FA05 KA01Continued on the front page (72) Inventor Atsushi Kikukawa 2520 Akanuma, Hatoyama-cho, Hiki-gun, Saitama Prefecture Inside Hitachi, Ltd.Basic Research Laboratories Co., Ltd. Inside the laboratory (72) Inventor Hajime Koyanagi 2520 Akanuma, Hatoyama-cho, Hiki-gun, Saitama Prefecture Inside the Basic Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Yomasa Onisato 2-6-1 Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo (Japan Building) Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. (72) Inventor Ken Murayama 2-6-1, Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo (Nippon Building) Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. F-term (reference) 2F063 AA43 CA12 DA01 DD02 EA16 EB16 EB05 EB15 EB23 JA04 2F069 AA60 DD15 GG04 GG06 GG07 HH04 HH30 MM04 RR03 5D119 AA11 AA22 BA01 BB02 CA20 DA01 DA05 EC24 FA05 KA01

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】微小力を検出する微小カンチレバであっ
て、カンチレバ先端部に探針が形成されるとともに、探
針が形成されているカンチレバ面と実質上同一平面に該
カンチレバを支持する支持台が形成され、且つ、これら
が異なる材質あるいは材料で構成されたことを特徴とす
る微小カンチレバ。
1. A cantilever for detecting a minute force, wherein a probe is formed at a tip of the cantilever, and a support base for supporting the cantilever in substantially the same plane as a surface of the cantilever on which the probe is formed. Are formed and made of different materials or materials.
【請求項2】上記支持台が半導体基板で形成されている
請求項1記載の微小カンチレバ。
2. The micro cantilever according to claim 1, wherein said support base is formed of a semiconductor substrate.
【請求項3】上記カンチレバがシリコン窒化膜あるいは
シリコン酸化膜で形成された請求項1記載の微小カンチ
レバ。
3. The micro cantilever according to claim 1, wherein said cantilever is formed of a silicon nitride film or a silicon oxide film.
【請求項4】上記カンチレバが導電膜で覆われた構造で
ある請求項1記載の微小カンチレバ。
4. The micro cantilever according to claim 1, wherein said cantilever has a structure covered with a conductive film.
【請求項5】上記探針が支持台の厚さ方向と反対方向に
形成されている請求項1〜4のいずれかに記載の微小カ
ンチレバ。
5. The micro cantilever according to claim 1, wherein the probe is formed in a direction opposite to a thickness direction of the support table.
【請求項6】上記探針がシリコン基板の異方性エッチン
グによって形成された4角錐を鋳型として形成される請
求項5記載の微小カンチレバ。
6. The micro cantilever according to claim 5, wherein said probe is formed using a quadrangular pyramid formed by anisotropic etching of a silicon substrate as a template.
【請求項7】上記カンチレバ及び探針が多層膜で形成さ
れている請求項1〜6のいずれかに記載の微小カンチレ
バ。
7. The micro cantilever according to claim 1, wherein the cantilever and the probe are formed of a multilayer film.
【請求項8】上記探針を形成する4角錐の鋳型が低温酸
化及びエッチングにより先端を尖鋭化された請求項6ま
たは7記載の微小カンチレバ。
8. The microcantilever according to claim 6, wherein the tip of the quadrangular pyramid forming the probe is sharpened by low-temperature oxidation and etching.
【請求項9】微小カンチレバを備えた顕微鏡、超高密度
記録、微細加工等の計測、加工等の微小力利用装置であ
って、該微小カンチレバがカンチレバ先端部に探針が形
成されるとともに、探針が形成されているカンチレバ面
と実質上同一平面に該カンチレバを支持する支持台が形
成され、且つ、これらが異なる材質あるいは材料で構成
されたことを特徴とする微小力利用装置。
9. A microscope equipped with a micro cantilever, a micro force utilizing device for measuring and processing such as ultra-high density recording, micro-processing, etc., wherein said micro cantilever has a probe formed at the tip of the cantilever. A micro-force utilization device characterized in that a support base for supporting the cantilever is formed on substantially the same plane as the cantilever surface on which the probe is formed, and these are made of different materials or materials.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6458206B1 (en) * 1998-05-13 2002-10-01 Crystals And Technologies, Ltd. Cantilever with whisker-grown probe and method for producing thereof
JP2005509864A (en) * 2001-11-12 2005-04-14 ナノファクトリー インストルメンツ アーベー Measuring device for electron microscope
KR100595523B1 (en) 2004-07-20 2006-07-03 엘지전자 주식회사 Nano data writing and reading apparatus using cantilever transfer and manufacturing method thereof
JP2007114033A (en) * 2005-10-20 2007-05-10 Seiko Instruments Inc Probe, scanning probe microscope, and method of manufacturing probe

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