JP2001191300A - Probe drive mechanism and manufacturing method of piezoelectric actuator using the same - Google Patents
Probe drive mechanism and manufacturing method of piezoelectric actuator using the sameInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、試料の表面観察或いは
記録媒体を用いた記録・再生に用いられる、探針駆動機
構及び該機構を用いた圧電式アクチュエータの製造方法
に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a probe driving mechanism used for observation of the surface of a sample or recording / reproduction using a recording medium, and a method of manufacturing a piezoelectric actuator using the mechanism.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、半導体或いは高分子材料等の原
子、分子オーダーの観察評価、微細加工、及び記録装置
等の様々な分野への走査型トンネル顕微鏡（以下「ＳＴ
Ｍ」と記す）の応用が研究されている。2. Description of the Related Art In recent years, scanning tunneling microscopes (hereinafter referred to as "ST") for various fields such as observation and evaluation of atoms and molecules on a semiconductor or polymer material, fine processing, and recording devices.
M ”) is being studied.
【０００３】中でも、コンピューターの計算情報や映像
情報等では大容量を有する記録装置が要求され、ＳＴＭ
手法の応用に対する要望がますます高まっており、さら
に半導体プロセス技術の進展により、マイクロプロセッ
サが小型化し、計算能力が向上したために記録装置の小
型化が望まれている。これらの要求を満たす目的で、記
録媒体との間隔の微調整が可能な駆動手段上に存在する
トンネル電流発生用プローブからなる変換器を用い、該
変換器から電圧を印加し、記録媒体表面の仕事関数を変
化させることにより記録書き込みし、或いは仕事関数の
変化によるトンネル電流の変化を検知することにより情
報の読み出しを行ない、最小記録面積が１０ｎｍ平方と
なる記録再生装置が提案されている（特開昭６３−１６
１５５２号公報等）。[0003] Above all, a computer having a large capacity is required for computer calculation information and video information.
There is an increasing demand for application of the technique, and further advances in semiconductor process technology have led to miniaturization of microprocessors and improved computational power. For the purpose of satisfying these requirements, using a converter consisting of a probe for generating a tunnel current, which is present on a driving means capable of finely adjusting the distance to the recording medium, applying a voltage from the converter, and applying a voltage to the surface of the recording medium. There has been proposed a recording / reproducing apparatus in which the minimum recording area is 10 nm square, in which recording / writing is performed by changing a work function, or information is read out by detecting a change in a tunnel current due to a change in the work function. Kaisho 63-16
No. 1552).
【０００４】一般に、データ転送速度、及びデータ記録
速度を向上させるためにはプローブの数を増やす必要が
ある。この際、上述した装置においてはプローブと媒体
との間隔を調整しつつ、記録データ列上を走行すること
になるが、記録したデータ列の幅が非常に細く、装置の
温度変化によるドリフト、外部からの振動などの影響に
よるプローブのデータ列からのはずれ等により安定した
記録再生が困難になる。従って各プローブが独立に、媒
体面に平行な方位を垂直な方位に高速に変位することが
要求される。Generally, it is necessary to increase the number of probes in order to improve the data transfer speed and the data recording speed. At this time, in the above-described device, the probe runs on the recording data sequence while adjusting the distance between the probe and the medium. However, the width of the recorded data sequence is extremely narrow, and drift due to temperature change of the device, external It is difficult to stably record and reproduce data due to deviation from the data sequence of the probe due to the influence of vibrations from the probe. Therefore, it is required that each probe independently displaces the direction parallel to the medium surface to the direction perpendicular to the medium at high speed.
【０００５】この要求を満足させるために、例えば、Ｗ
Ｏ８９／０７２５６には図６の様な圧電体層５、７と電
極層４、６、８を積層したカンチレバーが提案されてい
る。該カンチレバーはシリコン酸化膜よりなる絶縁層１
１を成膜パターニングし、次いでＳｉ基板１を異方性エ
ッチングによってシリコンメンブレン１０を形成してい
る。In order to satisfy this demand, for example, W
O89 / 07256 proposes a cantilever in which piezoelectric layers 5, 7 and electrode layers 4, 6, 8 are laminated as shown in FIG. The cantilever is an insulating layer 1 made of a silicon oxide film.
1, a silicon membrane 10 is formed on the Si substrate 1 by anisotropic etching.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例ではシリコンメンブレン１０と絶縁層１１のエッチ
ングの際にＳｉ基板１のサイドエッチングを抑えるため
に絶縁層１１の膜厚を薄くする必要がある。そのため下
電極４とＳｉ基板１で無視できない容量が発生し、基板
を介して他の電極と接続し、図７の様な等価回路にな
る。However, in the above-mentioned conventional example, it is necessary to reduce the thickness of the insulating layer 11 in order to suppress the side etching of the Si substrate 1 when the silicon membrane 10 and the insulating layer 11 are etched. For this reason, a capacitance that cannot be ignored is generated between the lower electrode 4 and the Si substrate 1, and the lower electrode 4 is connected to another electrode via the substrate to form an equivalent circuit as shown in FIG.
【０００７】通常カンチレバーの駆動周波数はカンチレ
バーの大きさ、層構成で決まる共振周波数で制限される
が、さらに従来例では圧電体層５、７による容量と上述
の寄生容量による時定数の増大によっても制限され媒体
とプローブの間隔の調整ができず、書き込み読み出しの
誤動作を生じる。また、複数プローブ構成の場合は駆動
電極の配線長が各々のプローブで異なるためこれによる
寄生容量も大きくばらつく。従って、これがカンチレバ
ーの駆動特性のバラツキとなる。Normally, the driving frequency of the cantilever is limited by the resonance frequency determined by the size and layer structure of the cantilever. Due to the limitation, the distance between the medium and the probe cannot be adjusted, and a malfunction of writing and reading occurs. In the case of a multi-probe configuration, since the wiring length of the drive electrode differs for each probe, the parasitic capacitance due to this varies greatly. Therefore, this causes variation in the drive characteristics of the cantilever.
【０００８】また、以上の問題を回避するために電極下
の絶縁層を厚くし、寄生容量を小さくする様な工程にし
た場合、図６の絶縁層１１をエッチングする際、Ｓｉが
等方的にエッチングされ、絶縁層厚さの１０倍以上サイ
ド方向にエッチングが進むためカンチレバー形状の制御
性が悪くなる。In order to avoid the above-mentioned problems, if the insulating layer under the electrode is made thicker to reduce the parasitic capacitance, when the insulating layer 11 shown in FIG. And the etching proceeds in the side direction at least ten times the thickness of the insulating layer, so that the controllability of the cantilever shape deteriorates.
【０００９】本発明の目的は、カンチレバーと支持体と
の間で発生する寄生容量を低減してカンチレバーの応答
性を改善すると共に、カンチレバー製造時の不要なエッ
チングを防止した新規な圧電式アクチュエータ、探針駆
動機構の製造方法を提供することにある。An object of the present invention is to reduce the parasitic capacitance generated between the cantilever and the support, improve the responsiveness of the cantilever, and prevent unnecessary etching during the manufacture of the cantilever. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a probe driving mechanism.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段及び作用】本発明の第１の
態様は、圧電体薄膜と、これを挟持する電極を有するバ
イモルフカンチレバーであって、該カンチレバーの一端
が絶縁層を介して支持体の表面に支持され、且つその他
端に情報入出力用のプローブを備えた探針駆動機構の製
造方法であって、支持体上に第１の絶縁層を設け、上記
カンチレバーの一端を支持する支持体部を残し、エッジ
部において傾斜部を有するようにパターニングする工
程、更にその上に第２の絶縁層を設ける工程、第２の絶
縁層上に電極層と圧電体薄膜を順次積層する工程、プロ
ーブを形成する工程、及び支持体部以外の支持体を除去
してカンチレバーを形成する工程を含むことを特徴とす
る探針駆動機構の製造方法である。According to a first aspect of the present invention, there is provided a bimorph cantilever having a piezoelectric thin film and an electrode sandwiching the piezoelectric thin film, and one end of the cantilever is supported by an insulating layer. A method for manufacturing a probe driving mechanism supported on the surface of a probe and provided with an information input / output probe at the other end, comprising: providing a first insulating layer on a support, and supporting one end of the cantilever. Leaving the body part, patterning so as to have an inclined part at the edge part, further providing a second insulating layer thereon, sequentially laminating the electrode layer and the piezoelectric thin film on the second insulating layer, A method for manufacturing a probe driving mechanism, comprising a step of forming a probe and a step of forming a cantilever by removing a support other than a support portion.
【００１１】本発明の第２の態様は、圧電体薄膜と、こ
れを挟持する電極を有するバイモルフカンチレバーであ
って、該カンチレバーの一端が絶縁層を介して支持体の
表面に支持され、且つその他端に情報入出力用のプロー
ブを備えた探針駆動機構の製造方法であって、支持体上
に第１の絶縁層を設ける工程、更にその上に第２の絶縁
層を設け、上記カンチレバーの一端を支持する支持体部
を残し、エッジ部において傾斜部を有するようにパター
ニングする工程、第１及び第２の絶縁層上に電極層と圧
電体薄膜を順次積層する工程、プローブを形成する工
程、及び支持体部以外の支持体を除去してカンチレバー
を形成する工程を含むことを特徴とする探針駆動機構の
製造方法である。A second aspect of the present invention is a bimorph cantilever having a piezoelectric thin film and an electrode sandwiching the piezoelectric thin film, wherein one end of the cantilever is supported on the surface of a support via an insulating layer, and A method for manufacturing a probe drive mechanism having an information input / output probe at an end, comprising: providing a first insulating layer on a support; further providing a second insulating layer thereon; A step of patterning so as to have an inclined portion at an edge portion while leaving a support portion supporting one end, a step of sequentially laminating an electrode layer and a piezoelectric thin film on the first and second insulating layers, and a step of forming a probe And forming a cantilever by removing a support other than the support portion.
【００１２】本発明の第３の態様は、圧電体薄膜と、こ
れを挟持する電極を有するバイモルフカンチレバーであ
って、該カンチレバーの一端が絶縁層を介して支持体の
表面に支持され、支持体の裏面に絶縁層を有する圧電式
アクチュエータの製造方法であって、支持体上に第１の
絶縁層を設け、上記カンチレバーの一端を支持する支持
体部を残し、エッジ部において傾斜部を有するようにパ
ターニングする工程、更にその上に第２の絶縁層を設け
る工程、第２の絶縁層上に電極層と圧電体薄膜を順次積
層する工程、及び支持体部以外の支持体を除去してカン
チレバーを形成する工程を含むことを特徴とする圧電式
アクチュエータの製造方法である。According to a third aspect of the present invention, there is provided a bimorph cantilever having a piezoelectric thin film and an electrode sandwiching the piezoelectric thin film, wherein one end of the cantilever is supported on the surface of the support via an insulating layer. A method for manufacturing a piezoelectric actuator having an insulating layer on the back surface of the piezoelectric actuator, comprising: providing a first insulating layer on a support, leaving a support portion supporting one end of the cantilever, and having an inclined portion at an edge portion. Patterning, further providing a second insulating layer thereon, sequentially laminating an electrode layer and a piezoelectric thin film on the second insulating layer, and removing the support other than the support to remove the cantilever. And a method for manufacturing a piezoelectric actuator.
【００１３】本発明によれば、カンチレバー部の剛性を
低くし、且つ支持体上に絶縁層を厚く設けることによ
り、寄生容量を低くし、且つカンチレバーの駆動特性を
高めることを可能にしたものである。According to the present invention, by reducing the rigidity of the cantilever portion and providing a thick insulating layer on the support, it is possible to reduce the parasitic capacitance and enhance the driving characteristics of the cantilever. is there.
【００１４】この絶縁層の膜厚は、少なくとも５０００
Åは必要であり、１μｍ以上であれば更に好ましい。The thickness of the insulating layer is at least 5,000.
Å is necessary, and more preferably 1 μm or more.
【００１５】また、上記本発明による探針駆動機構のさ
らに好ましい態様としては、支持体に接する絶縁層が、
耐異方性エッチングを有する材料からなる、或いはシリ
コン酸化膜を含み、カンチレバーに接する絶縁層がシリ
コンナイトライド膜を含み、支持体の裏面に接する絶縁
層がシリコン酸化膜を含み、支持体がシリコンからな
る。In a further preferred embodiment of the probe driving mechanism according to the present invention, the insulating layer in contact with the support comprises:
The insulating layer in contact with the cantilever includes a silicon nitride film, the insulating layer in contact with the back surface of the support includes a silicon oxide film, and the support includes silicon oxide. Consists of
【００１６】また、本発明の探針駆動機構の製造方法に
おいては、支持体は異方性エッチングで除去されること
が望ましい。In the method of manufacturing a probe driving mechanism according to the present invention, it is preferable that the support is removed by anisotropic etching.
【００１７】[0017]
【実施例】以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、
本発明がこれらに限定されるものではない。Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples.
The present invention is not limited to these.
【００１８】実施例１ 図１は本発明によるカンチレバーと引出電極部構成の断
面図である。カンチレバーは圧電体層５、７と駆動用電
極層４、６、８とで構成され、カンチレバー自由端には
ティップ９が積載されトンネル電流引出用電極は上電極
８形成時に同時に形成される。図１では中、上電極６、
８が途中で切断されているが、実際にはボンディングパ
ッドまでの長い距離に渡って配線される。Embodiment 1 FIG. 1 is a sectional view of the structure of a cantilever and an extraction electrode according to the present invention. The cantilever is composed of piezoelectric layers 5 and 7 and drive electrode layers 4, 6 and 8. A tip 9 is mounted on the free end of the cantilever, and a tunnel current extracting electrode is formed at the same time when the upper electrode 8 is formed. In FIG. 1, the middle and upper electrodes 6,
8 is cut in the middle, but is actually wired over a long distance to the bonding pad.
【００１９】次に本発明による構成と効果を図２の製造
工程図に従って説明する。Next, the structure and effect of the present invention will be described with reference to the manufacturing process diagram of FIG.
【００２０】図２（ａ）に示す如く（１００）Ｓｉ基板
１に容易に厚膜を得ることができるので熱酸化炉で１μ
ｍ以上のシリコン酸化膜３を成膜し、表面は支持体部１
３のみにシリコン酸化膜が残るように、両面をパターニ
ングする。シリコン酸化膜３のパターニングは図２
（ｃ）の工程で成膜する下電極４として比較的薄い層を
用いた場合にシリコン酸化膜のエッジ部１２が急峻にな
ると下電極４のカバーレージが悪くなるのでＨＦ系の水
溶液等の等方的エッチングによることが望ましい。その
後ＬＰＣＶＤ装置でＳｉＨ2Ｃｌ2とＮＨ3ガスの気相成
長によってシリコンナイトライド膜２を１０００〜１５
００Å成膜し、裏面のみパターニングする。この際シリ
コンナイトライド膜２を成膜するかわりに、再度熱酸化
炉でシリコン酸化膜を成膜しても良い。As shown in FIG. 2A, since a thick film can be easily obtained on the (100) Si substrate 1, 1 μm is obtained in a thermal oxidation furnace.
m or more silicon oxide film 3 is formed, and the surface is
Both surfaces are patterned so that only the silicon oxide film 3 remains. The patterning of the silicon oxide film 3 is shown in FIG.
In the case where a relatively thin layer is used as the lower electrode 4 formed in the step (c), if the edge portion 12 of the silicon oxide film becomes steep, the coverage of the lower electrode 4 deteriorates. It is desirable to use anisotropic etching. Thereafter, the silicon nitride film 2 is formed in a thickness of 1000 to 15 by vapor phase growth of SiH 2 Cl 2 and NH 3 gas using an LPCVD apparatus.
A film is formed, and only the back surface is patterned. At this time, instead of forming the silicon nitride film 2, a silicon oxide film may be formed again in a thermal oxidation furnace.
【００２１】次に図２（ｂ）に示す如くＳｉの異方性エ
ッチング例えばＫＯＨ水溶液を加熱し、後にカンチレバ
ーとなる領域をエッチングし数１０μｍ厚のシリコンメ
ンブレン１０を形成する。更に図２（ｃ）に示す如く、
下電極４を１０００Å程度成膜し、圧電体５を成膜し、
同様の操作で中電極６、圧電体層７、上電極８を順に積
層し、ティップ９を形成する。次に表面を１０μｍ以上
コーティングしシリコンメンブレン１０及びシリコンナ
イトライド膜２をＫＯＨ水溶液等による異方性エッチン
グ或いはＣＦ4、ＳＦ6等のガスによるプラズマエッチン
グによって除去し、さらにＣＦ4、ＳＦ6等のガスによる
プラズマエッチングによってコーティングを除去するこ
とによって図１の様な構成のカンチレバーが得られる。Next, as shown in FIG. 2B, anisotropic etching of Si, for example, an aqueous KOH solution is heated, and a region to be a cantilever is later etched to form a silicon membrane 10 having a thickness of several tens of μm. Further, as shown in FIG.
A lower electrode 4 is formed to a thickness of about 1000 °, a piezoelectric body 5 is formed,
With the same operation, the middle electrode 6, the piezoelectric layer 7, and the upper electrode 8 are sequentially laminated to form a tip 9. Then 10μm or coated silicon membrane 10 and the silicon nitride film 2 of the surface is removed by anisotropic etching or CF 4, plasma etching using a gas such as SF 6 with KOH solution or the like, such as CF 4, SF 6 By removing the coating by plasma etching with a gas, a cantilever having a configuration as shown in FIG. 1 is obtained.
【００２２】以上の様に形成されたカンチレバーの、本
発明の構成による利点は次の通りである。The advantages of the cantilever formed as described above by the structure of the present invention are as follows.
【００２３】前述した様に、図６の如き従来型の構成に
よると、図７の等価回路に示される望ましくない寄生容
量ｃ1、ｃ2が存在する。ここでｃは圧電体の容量、
ｒ1、ｒ2は配線抵抗、ｒ3は基板の抵抗を表す。As described above, according to the conventional configuration as shown in FIG. 6, there are undesirable parasitic capacitances c 1 and c 2 shown in the equivalent circuit of FIG. Where c is the capacitance of the piezoelectric body,
r 1 and r 2 represent the wiring resistance, and r 3 represents the resistance of the substrate.
【００２４】以上の条件で本発明（図１）と従来技術
（図６）のｃ、ｃ1、ｃ2を比較する。 条件 ＳｉＯ2３の厚さ（本発明のみ） １μｍ Ｓｉ3Ｎ4２（従来例では絶縁層１１に該当）の厚さ ０．１５μｍ 圧電体５、７の厚さ ０．３μｍ カンチレバー９の大きさ ３００μｍ×１００μｍ 配線 ５μｍ幅×５ｍｍ長 Ｓｉ3Ｎ4の誘電率 １．０×１０-10（Ｆ／ｍ） ＳｉＯ2の誘電率 ３．５×１０-11（ 〃 ） ＺｎＯの誘電率 １．１×１０-10（ 〃 ）Under the above conditions, c, c 1 and c 2 of the present invention (FIG. 1) and the prior art (FIG. 6) will be compared. Conditions Thickness of SiO 2 3 (only for the present invention) 1 μm Thickness of Si 3 N 4 2 (corresponding to insulating layer 11 in the conventional example) 0.15 μm Thickness of piezoelectric bodies 5 and 7 0.3 μm Size of cantilever 9 300 μm × 100 μm Wiring 5 μm width × 5 mm length Dielectric constant of Si 3 N 4 1.0 × 10 −10 (F / m) Dielectric constant of SiO 2 3.5 × 10 −11 (〃) Dielectric constant of ZnO 1.1 × 10 -10 (〃)
【００２５】 [0025]
【００２６】以上の比較より明らか様に従来例ではカン
チレバー本体に対し配線からの寄生分がほぼ４０％
（ｃ’／ｃ）にもなるのに対し、本発明のｃ’はその１
／１０以下と非常に低い。図４の様なマルチプローブの
場合にはプローブ間での配線長が異なるため、各々のプ
ローブの寄生容量や基板抵抗が大幅に異なることになり
カンチレバーの駆動に大きなバラツキが生じることにな
る。しかし、本発明によれば寄生容量そのものが小さい
ので配線長のバラツキによる寄生分のバラツキが減少さ
れる。即ち、各カンチレバーの特性のバラツキを大幅に
抑えることが可能となるのである。As is apparent from the above comparison, in the conventional example, the parasitic component from the wiring is approximately 40% of the cantilever body.
(C ′ / c), whereas c ′ of the present invention is (1)
/ 10 or less. In the case of the multi-probe as shown in FIG. 4, the wiring length between the probes is different, so that the parasitic capacitance and the substrate resistance of each probe are significantly different, and a large variation occurs in the driving of the cantilever. However, according to the present invention, since the parasitic capacitance itself is small, the variation in the parasitic component due to the variation in the wiring length is reduced. That is, it is possible to greatly suppress the variation in the characteristics of each cantilever.
【００２７】実施例２ 基本的な構成と効果については実施例１に同じである
が、製法についての他の例を図３を用いて説明する。Embodiment 2 The basic structure and effects are the same as those of Embodiment 1, but another example of the manufacturing method will be described with reference to FIG.
【００２８】シリコン基板１に対しＬＰＣＶＤ装置を用
いて８００℃程度加熱しＳｉＨ2Ｃｌ2とＮＨ3を反応さ
せ、シリコンナイトライド膜２を１０００〜１５００Å
成膜し、シリコンメンブレン１０領域形成のため裏面を
パターニングし、エッチングする。次に常圧ＣＶＤ装置
を用いて４００〜４５０℃程度に加熱しＳｉＨ4とＯ2を
反応させシリコン酸化膜３を表面のみに成膜しパターニ
ング、エッチングし、図３の様な構成を得る。後の工程
は実施例１に同じである。The silicon substrate 1 is heated to about 800 ° C. using an LPCVD apparatus to cause SiH 2 Cl 2 to react with NH 3 , thereby forming the silicon nitride film 2 at 1000 to 1500 ° C.
A film is formed, and the back surface is patterned and etched to form a silicon membrane 10 region. Next, using a normal pressure CVD apparatus, the silicon oxide film 3 is heated to about 400 to 450 ° C. to react SiH 4 and O 2 , and a silicon oxide film 3 is formed only on the surface, patterned, and etched to obtain a configuration as shown in FIG. The subsequent steps are the same as in the first embodiment.
【００２９】尚、シリコンメンブレン１０を形成する工
程をシリコン酸化膜３を成膜する前に実施しても同様な
結果を得ることができる。The same result can be obtained even if the step of forming the silicon membrane 10 is performed before the formation of the silicon oxide film 3.
【００３０】実施例３ 次に、本発明による前記探針駆動機構を用いた情報処理
装置の一例である記録再生装置の説明を行なう。図５
は、本実施例の記録再生装置の概略図である。１０１
は、本発明の探針駆動機構１０２を複数設けたシリコン
基板、１０５は、シリコン基板をＺ方向に駆動する粗動
用圧電素子、１０３は板状の記録媒体、１０４は探針駆
動機構の走査可能領域で決まる記録エリアを一列に並べ
たデータ列である。記録媒体１０３は、不図示の移動機
構により、図中矢印の方向に並進移動され、記録エリア
は列状に記録される。探針駆動機構１０２とＺ方向粗動
用圧電素子１０５は、不図示のリニアモータなどの移動
機構によりデータ列と直行する方向に移動可能な様に構
成され、任意のデータ列にアクセスし、データの記録再
生を行なうことができる。その際、目標とするデータ列
までのアクセスは、リニアエンコーダーなどの位置検出
装置により行なわれ、その後、探針駆動機構１０２の各
々の探針は、目標のデータ列の各々の記録エリア内を走
査する。Embodiment 3 Next, a description will be given of a recording / reproducing apparatus which is an example of an information processing apparatus using the probe driving mechanism according to the present invention. FIG.
1 is a schematic diagram of a recording / reproducing apparatus of the present embodiment. 101
Is a silicon substrate provided with a plurality of the probe driving mechanisms 102 of the present invention, 105 is a piezoelectric element for coarse movement for driving the silicon substrate in the Z direction, 103 is a plate-shaped recording medium, and 104 is a scan of the probe driving mechanism. This is a data string in which recording areas determined by areas are arranged in a line. The recording medium 103 is translated by a moving mechanism (not shown) in the direction of the arrow in the figure, and the recording areas are recorded in a row. The probe drive mechanism 102 and the Z-direction coarse movement piezoelectric element 105 are configured to be movable in a direction perpendicular to the data sequence by a moving mechanism such as a linear motor (not shown), and can access an arbitrary data sequence and transmit data. Recording and reproduction can be performed. At that time, access to the target data sequence is performed by a position detecting device such as a linear encoder, and then each probe of the probe drive mechanism 102 scans within each recording area of the target data sequence. I do.
【００３１】前記記録媒体１０３としては、電流−電圧
特性においてメモリ−スイッチング現象（電気メモリー
効果）を有する材料、例えば、特開昭６３−１６１５５
２号公報に記載されているように、π電子準位をもつ群
とσ電子準位のみを有する群を併有する分子を電極上に
積層した有機単分子膜或いはその累積膜を用いることが
可能となる。電気メモリー効果は前記の有機単分子膜、
その累積膜等の薄膜を一対の電極間に配置させた状態で
それぞれ異なる２つ以上の導電率を示す状態（図８ＯＮ
状態、ＯＦＦ状態）へ遷移させることが可能なしきい値
を超えた電圧を印加することにより可逆的に低抵抗状態
（ＯＮ状態）及び高抵抗状態（ＯＦＦ状態）へ遷移（ス
イッチング）させることができる。またそれぞれの状態
は電圧を印加しなくとも保持（メモリー）しておくこと
ができる。As the recording medium 103, a material having a memory-switching phenomenon (electric memory effect) in current-voltage characteristics, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-16155
As described in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2, an organic monomolecular film in which a molecule having both a group having a π-electron level and a group having only a σ-electron level is laminated on an electrode, or a cumulative film thereof can be used. Becomes The electric memory effect is the aforementioned organic monomolecular film,
A state in which a thin film such as the accumulation film has two or more different electric conductivities in a state where it is arranged between a pair of electrodes (FIG.
State, OFF state), it is possible to reversibly make a transition (switching) to a low resistance state (ON state) and a high resistance state (OFF state) by applying a voltage exceeding a threshold value capable of making a transition to the OFF state. . Each state can be held (memory) without applying a voltage.
【００３２】また記録媒体１０３として、あるしきい値
以上の電圧を印加すると表面が局所的に溶融または蒸発
して、表面形状が凹又は凸に変化する材料、例えば、Ａ
ｕ、Ｐｔなどの金属薄膜を用いても良い。As the recording medium 103, when a voltage higher than a certain threshold is applied, the surface locally melts or evaporates, and a material whose surface shape changes to concave or convex, for example, A
A thin metal film such as u or Pt may be used.
【００３３】次に、記録再生の方法を説明する。Next, a recording / reproducing method will be described.
【００３４】先ず、記録方法は、Ｚ方向粗動用圧電素子
１０５と探針駆動機構１０２が移動機構により記録位置
に移動し、記録媒体１０３のあるしきい値を超える電圧
を印加することにより行なう。その際、記録媒体１０３
には、バイアス回路１０６によりバイアス電圧が加えら
れ、探針は記録媒体１０３に対してトンネル電流が流れ
る距離に保たれている。その接近は、Ｚ方向粗動用圧電
素子１０５により、近傍まで近づけ、後は複数有る探針
駆動機構１０２で各々の探針毎にトンネル領域に引き込
まれる。その引き込みは各探針に対応したトンネル電流
検出回路１０７により検出されたトンネル電流を各々の
探針駆動機構１０２のＺ方向サーボ回路１１０を通して
フィードバックすることにより、各探針と記録媒体間を
一定距離に制御している。その時、Ｚ方向サーボ回路１
１０にはローパスフィルターが設けられ、そのカットオ
フ周波数はデータ信号には追従せず、記録媒体の面振
れ、表面のうねりに追従できるように選ばれ、探針と記
録媒体の平均距離が一定となる様に制御される。First, the recording method is performed by moving the piezoelectric element 105 for coarse movement in the Z direction and the probe driving mechanism 102 to the recording position by the moving mechanism and applying a voltage exceeding a certain threshold value of the recording medium 103. At that time, the recording medium 103
, A bias voltage is applied by a bias circuit 106, and the probe is maintained at a distance where a tunnel current flows with respect to the recording medium 103. The approach is brought close to the vicinity by the Z-direction coarse movement piezoelectric element 105, and thereafter, the plurality of probe driving mechanisms 102 are drawn into the tunnel region for each probe. The pull-in is performed by feeding back the tunnel current detected by the tunnel current detection circuit 107 corresponding to each probe through the Z-direction servo circuit 110 of each probe drive mechanism 102, so that a certain distance between each probe and the recording medium is obtained. Is controlled. At that time, the Z-direction servo circuit 1
10 is provided with a low-pass filter, the cut-off frequency of which is selected so as not to follow the data signal, but to follow the surface deflection and undulation of the recording medium, and that the average distance between the probe and the recording medium is constant. It is controlled as follows.
【００３５】記録時には、制御回路１１２から記録信号
がパルス印加回路１０８に送られ、各探針にパルス電圧
として印加され、記録が行なわれる。At the time of recording, a recording signal is sent from the control circuit 112 to the pulse applying circuit 108, applied to each probe as a pulse voltage, and recording is performed.
【００３６】その際、パルス印加により探針と記録媒体
の距離が変化しないようにＺ方向サーボ回路１１０に
は、ホールド回路を設けて、パルス電圧が印加されてい
る探針駆動機構１０２の駆動電圧を保持する。At this time, a hold circuit is provided in the Z-direction servo circuit 110 so that the distance between the probe and the recording medium does not change due to the pulse application, and the drive voltage of the probe drive mechanism 102 to which the pulse voltage is applied is provided. Hold.
【００３７】そのとき、データ列１０４の記録エリア内
には記録ビットがマトリクス状に記録される。各々の記
録ビット列には、アドレス情報が挿入されており、再生
時のデータの識別を行なう。At this time, recording bits are recorded in a matrix in the recording area of the data string 104. Address information is inserted in each of the recording bit strings to identify data at the time of reproduction.
【００３８】次に再生方法について説明する。Next, a reproducing method will be described.
【００３９】再生時には探針は、移動機構により所望の
データ列１０４の記録エリア上に移動し、記録媒体１０
３の表面との間のトンネル電流の記録部と非記録部の変
化分を検出し再生を行なう。そのとき探針駆動機構１０
２はＸＹ位置制御回路１０９により制御され、探針が記
録エリアの全域を走査するように駆動される。１つの記
録エリア内の再生信号は、トンネル電流検出回路１０７
を通し、制御回路１１２で信号処理して一時的に記憶さ
れ、その中から所望のデータのみが再生出力される。At the time of reproduction, the probe is moved to a recording area of a desired data string 104 by a moving mechanism, and
The reproduction is performed by detecting a change in the recorded portion and the non-recorded portion of the tunnel current between the surface 3 and the surface 3. At that time, the probe drive mechanism 10
2 is controlled by the XY position control circuit 109, and the probe is driven so as to scan the entire recording area. The reproduction signal in one recording area is transmitted to the tunnel current detection circuit 107.
The signal is processed by the control circuit 112 and temporarily stored, and only desired data is reproduced and output from the signal.
【００４０】このような記録再生装置において探針駆動
機構を前記実施例の様な構成とすることにより、１つの
探針で走査できる領域が広がり、１つの記録エリアが大
きくなり、全体として記録密度を挙げることができる。In such a recording / reproducing apparatus, by configuring the probe drive mechanism as in the above-described embodiment, the area that can be scanned by one probe is widened, and one recording area is enlarged. Can be mentioned.
【００４１】実施例４ 実施例１のカンチレバー型プローブを用いたＳＴＭ装置
を作製した。装置のブロック図は図５と同様である。こ
の装置で、サンプルとしてＨＯＰＧ（高配向熱分解グラ
ファイト）基板のへき開面を、バイアス電流１ｎＡ、ス
キャンエリア１００Å×１００Åで観察したところ、良
好な原子像を得ることができた。Example 4 An STM device using the cantilever probe of Example 1 was manufactured. The block diagram of the device is similar to FIG. When a cleavage plane of a HOPG (highly oriented pyrolytic graphite) substrate was observed as a sample with this apparatus at a bias current of 1 nA and a scan area of 100 × 100 °, a good atomic image could be obtained.
【００４２】また、スキャンエリア５００Å×５００Å
で同様にＨＯＰＧ基板の表面の小さい段差を観察した
後、プローブを基板から離し、再度観察を行なったとこ
ろ再現性良く、同じ場所で段差が観察された。Also, the scan area is 500 mm × 500 mm.
In the same manner, after observing a small step on the surface of the HOPG substrate, the probe was separated from the substrate, and the observation was performed again. As a result, the step was observed at the same place with good reproducibility.
【００４３】実施例５ 本実施例においては、インクジェットヘッドに応用する
ために圧電式アクチュエータを複数個横に並べて作製し
た。断面の概略図を図９（ａ）に、その斜視図を図９
（ｂ）にそれぞれ示す。Embodiment 5 In this embodiment, a plurality of piezoelectric actuators were arranged side by side for application to an ink jet head. FIG. 9A is a schematic view of a cross section, and FIG.
(B) shows each.
【００４４】ティップの形成を除き、しかも基板の除去
工程の直前まで、実施例１と同様の操作を行なって圧電
式アクチュエータを作製した。次に、ノズル付き基板２
８に複数のノズル開口部２９を形成した。更にスペーサ
２７を形成した。スペーサ２７には貴金属などの導電体
薄板を用い、各圧電式アクチュエータの上部電極８を短
絡して接続できるようにしたと同時に、引出電極の役割
を兼ねるようにした。また、各圧電式アクチュエータの
下部電極には、不図示の引出電極より個別に印加できる
ようにした。A piezoelectric actuator was manufactured by performing the same operation as in Example 1 except for the formation of the tip and immediately before the step of removing the substrate. Next, the substrate 2 with the nozzle
8, a plurality of nozzle openings 29 were formed. Further, a spacer 27 was formed. As the spacer 27, a thin conductive plate made of a noble metal or the like was used so that the upper electrodes 8 of the respective piezoelectric actuators could be connected by short-circuiting, and at the same time, they also served as extraction electrodes. Further, the lower electrode of each piezoelectric actuator can be individually applied from a lead electrode (not shown).
【００４５】続いて位置合わせの後、圧電式アクチュエ
ータを形成した基板１とノズル付き基板２８を貼り合わ
せた。最後に実施例１に示す様に、水酸化カリウム水溶
液を用いて基板の異方性エッチングにより圧電式アクチ
ュエータの片端部を除いて圧電式アクチュエータ下部の
基板を除去して作製した。Subsequently, after the alignment, the substrate 1 on which the piezoelectric actuator was formed and the substrate 28 with the nozzle were bonded. Finally, as shown in Example 1, the substrate under the piezoelectric actuator was removed except for one end of the piezoelectric actuator by anisotropic etching of the substrate using an aqueous solution of potassium hydroxide.
【００４６】このようにして作製したインクジェットヘ
ッドにおいては、下部電極４に印加した電圧による圧電
式アクチュエータの自由端部の図中上下方向への変位に
より、ノズル開口部２９付近のインクの圧力が高まり、
ノズル開口部２９よりインクを吐出させることができ
る。このような電圧印加を、複数の圧電式アクチュエー
タそれぞれに対して選択的、断続的に行なうことで、電
圧印加に対して応答性の良好な任意の印字を行なうこと
ができる。In the ink jet head thus manufactured, the pressure of the ink near the nozzle opening 29 increases due to the displacement of the free end of the piezoelectric actuator in the vertical direction in the figure due to the voltage applied to the lower electrode 4. ,
Ink can be ejected from the nozzle opening 29. By performing such voltage application selectively and intermittently for each of the plurality of piezoelectric actuators, it is possible to perform arbitrary printing with good response to the voltage application.
【００４７】[0047]
【発明の効果】本発明によれば、支持体と電極間の絶縁
層を配線下のみに残しその後に電極層、圧電層を積層す
るのでカンチレバー部のシリコンメンブレンのエッチン
グ後の絶縁層のエッチングの際にシリコンのサイドエッ
チングの問題が発生しない。そのため、配線下の絶縁層
を厚くすることが可能となるので配線間の寄生容量を低
くすることができる。その結果、各プローブ間の寄生容
量のバラツキを抑えることができ、しかも寄生容量その
ものを小さくできるのでプローブ駆動の制御性が大きく
向上することになる。According to the present invention, the insulating layer between the support and the electrode is left only under the wiring, and then the electrode layer and the piezoelectric layer are laminated. Therefore, the etching of the insulating layer after the etching of the silicon membrane in the cantilever portion is performed. In this case, the problem of silicon side etching does not occur. Therefore, the thickness of the insulating layer below the wiring can be increased, so that the parasitic capacitance between the wirings can be reduced. As a result, the variation in the parasitic capacitance between the probes can be suppressed, and the parasitic capacitance itself can be reduced, so that the controllability of driving the probe is greatly improved.
【図１】本発明による探針駆動機構の断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a probe driving mechanism according to the present invention.
【図２】図１に示した探針駆動機構の製造工程図であ
る。FIG. 2 is a manufacturing process diagram of the probe drive mechanism shown in FIG.
【図３】別の態様の製造工程を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a manufacturing process of another embodiment.
【図４】マルチプローブの概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram of a multi-probe.
【図５】本発明による探針駆動機構を用いた情報処理装
置の概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram of an information processing apparatus using a probe driving mechanism according to the present invention.
【図６】探針駆動機構の従来例を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic view showing a conventional example of a probe driving mechanism.
【図７】探針駆動機構の従来例の電極間の等価回路図で
ある。FIG. 7 is an equivalent circuit diagram between electrodes in a conventional example of a probe driving mechanism.
【図８】本発明による探針駆動機構を用いた情報処理装
置に用いる記録層の電気メモリー効果を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing an electric memory effect of a recording layer used in an information processing device using the probe driving mechanism according to the present invention.
【図９】本発明による圧電式アクチュエータを応用した
例を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an example in which a piezoelectric actuator according to the present invention is applied.
１ シリコン基板 ２ シリコンナイトライド膜 ３ シリコン酸化膜 ４ 下電極 ５ 圧電体層 ６ 中電極 ７ 圧電体層 ８ 上電極 ９ ティップ １０ シリコンメンブレン １１ 絶縁層 １２ エッジ部 １３ 支持体部２７ スペーサ ２８ ノズル付き基板 ２９ ノズル開口部 １０１ シリコン基板 １０２ 探針駆動機構 １０３ 記録媒体 １０４ データ列 １０５ 粗動用圧電素子 １０６ バイアス回路 １０７ トンネル電流検出回路 １０８ パルス印加回路 １０９ ＸＹ位置制御回路 １１０ Ｚ方向サーボ回路 １１１ Ｚ方向粗動回路 １１２ 制御回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 2 Silicon nitride film 3 Silicon oxide film 4 Lower electrode 5 Piezoelectric layer 6 Middle electrode 7 Piezoelectric layer 8 Upper electrode 9 Tip 10 Silicon membrane 11 Insulating layer 12 Edge part 13 Support part 27 Spacer 28 Substrate with nozzle 29 Nozzle opening 101 Silicon substrate 102 Probe driving mechanism 103 Recording medium 104 Data train 105 Piezo element for coarse movement 106 Bias circuit 107 Tunnel current detection circuit 108 Pulse application circuit 109 XY position control circuit 110 Z direction servo circuit 111 Z direction coarse movement Circuit 112 Control circuit
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/306 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｊ 21/318 21/306 Ｅ 41/09 41/08 Ｕ 41/22 41/22 Ｚ (72)発明者 島田 康弘 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 山本 敬介 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 笠貫 有二 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 鈴木 義勇 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 平井 裕 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat II (Reference) H01L 21/306 H01L 21/302 J 21/318 21/306 E 41/09 41/08 U 41/22 41/22 Z (72) Inventor Yasuhiro Shimada 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Inside Canon Inc. (72) Inventor Keisuke Yamamoto 3-30-2 Shimomaruko 3-chome, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (72) Invention Person Yuji Kasanuki 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Inside Canon Inc. (72) Inventor Yoshiyuki Suzuki 3-30-2 Shimomaruko 3-chome, Ota-ku, Tokyo Inside Canon Inc. (72) Inventor Hiroshi Hirai 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc.
Claims (19)
するバイモルフカンチレバーであって、該カンチレバー
の一端が絶縁層を介して支持体の表面に支持され、且つ
その他端に情報入出力用のプローブを備えた探針駆動機
構の製造方法であって、支持体上に第１の絶縁層を設
け、上記カンチレバーの一端を支持する支持体部を残
し、エッジ部において傾斜部を有するようにパターニン
グする工程、更にその上に第２の絶縁層を設ける工程、
第２の絶縁層上に電極層と圧電体薄膜を順次積層する工
程、プローブを形成する工程、及び支持体部以外の支持
体を除去してカンチレバーを形成する工程を含むことを
特徴とする探針駆動機構の製造方法。1. A bimorph cantilever having a piezoelectric thin film and an electrode sandwiching the piezoelectric thin film, wherein one end of the cantilever is supported on the surface of a support via an insulating layer, and the other end is used for information input / output. A method for manufacturing a probe driving mechanism provided with a probe, comprising: providing a first insulating layer on a support, leaving a support portion supporting one end of the cantilever, and patterning the edge portion to have an inclined portion. Performing, further providing a second insulating layer thereon,
A step of sequentially laminating an electrode layer and a piezoelectric thin film on the second insulating layer, forming a probe, and removing a support other than the support to form a cantilever. Manufacturing method of needle drive mechanism.
た絶縁層の膜厚が少なくとも５０００Åであることを特
徴とする請求項１記載の探針駆動機構の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein the thickness of the insulating layer provided between the support and the cantilever is at least 5000 °.
００Åであることを特徴とする請求項１記載の探針駆動
機構の製造方法。3. The method of claim 1, wherein the thickness of the first insulating layer is at least 50.
2. The method for manufacturing a probe driving mechanism according to claim 1, wherein the angle is 00 °.
ことを特徴とする請求項１記載の探針駆動機構の製造方
法。4. The method according to claim 1, wherein the first insulating layer includes a silicon oxide film.
膜を含むことを特徴とする請求項１記載の探針駆動機構
の製造方法。5. The method according to claim 1, wherein the second insulating layer includes a silicon nitride film.
するバイモルフカンチレバーであって、該カンチレバー
の一端が絶縁層を介して支持体の表面に支持され、且つ
その他端に情報入出力用のプローブを備えた探針駆動機
構の製造方法であって、支持体上に第１の絶縁層を設け
る工程、更にその上に第２の絶縁層を設け、上記カンチ
レバーの一端を支持する支持体部を残し、エッジ部にお
いて傾斜部を有するようにパターニングする工程、第１
及び第２の絶縁層上に電極層と圧電体薄膜を順次積層す
る工程、プローブを形成する工程、及び支持体部以外の
支持体を除去してカンチレバーを形成する工程を含むこ
とを特徴とする探針駆動機構の製造方法。6. A bimorph cantilever having a piezoelectric thin film and an electrode sandwiching the piezoelectric thin film, wherein one end of the cantilever is supported on the surface of a support via an insulating layer, and the other end is used for information input / output. A method of manufacturing a probe driving mechanism having a probe, comprising: providing a first insulating layer on a support, further providing a second insulating layer thereon, and supporting one end of the cantilever. Patterning so as to have an inclined portion at the edge portion,
And sequentially forming an electrode layer and a piezoelectric thin film on the second insulating layer, forming a probe, and removing a support other than the support to form a cantilever. Manufacturing method of probe drive mechanism.
た絶縁層の膜厚が少なくとも５０００Åであることを特
徴とする請求項６記載の探針駆動機構の製造方法。7. The method according to claim 6, wherein the thickness of the insulating layer provided between the support and the cantilever is at least 5000 °.
００Åであることを特徴とする請求項６記載の探針駆動
機構の製造方法。8. The method according to claim 1, wherein the thickness of the second insulating layer is at least 50.
7. The method according to claim 6, wherein the angle is 00 °.
ことを特徴とする請求項６記載の探針駆動機構の製造方
法。9. The method according to claim 6, wherein the second insulating layer includes a silicon oxide film.
ド膜を含むことを特徴とする請求項６記載の探針駆動機
構の製造方法。10. The method according to claim 6, wherein the first insulating layer includes a silicon nitride film.
とする請求項１または６記載の探針駆動機構の製造方
法。11. The method according to claim 1, wherein the support comprises silicon.
ことを特徴とする請求項１または６記載の探針駆動機構
の製造方法。12. The method according to claim 1, wherein the support is removed by anisotropic etching.
有するバイモルフカンチレバーであって、該カンチレバ
ーの一端が絶縁層を介して支持体の表面に支持され、支
持体の裏面に絶縁層を有する圧電式アクチュエータの製
造方法であって、支持体上に第１の絶縁層を設け、上記
カンチレバーの一端を支持する支持体部を残し、エッジ
部において傾斜部を有するようにパターニングする工
程、更にその上に第２の絶縁層を設ける工程、第２の絶
縁層上に電極層と圧電体薄膜を順次積層する工程、及び
支持体部以外の支持体を除去してカンチレバーを形成す
る工程を含むことを特徴とする圧電式アクチュエータの
製造方法。13. A bimorph cantilever having a piezoelectric thin film and an electrode sandwiching the piezoelectric thin film, wherein one end of the cantilever is supported on a surface of a support via an insulating layer, and has an insulating layer on a back surface of the support. A method of manufacturing a piezoelectric actuator, comprising: providing a first insulating layer on a support, leaving a support portion supporting one end of the cantilever, and patterning the edge portion to have an inclined portion; Providing a second insulating layer thereon, sequentially laminating an electrode layer and a piezoelectric thin film on the second insulating layer, and forming a cantilever by removing a support other than the support portion. A method for manufacturing a piezoelectric actuator, comprising:
れた絶縁層の膜厚が少なくとも５０００Åであることを
特徴とする請求項１３記載の圧電式アクチュエータの製
造方法。14. The method according to claim 13, wherein the thickness of the insulating layer provided between the support and the cantilever is at least 5000 °.
０００Åであることを特徴とする請求項１３記載の圧電
式アクチュエータの製造方法。15. The first insulating layer has a thickness of at least 5
The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 13, wherein the angle is 000 °.
とする請求項１３記載の圧電式アクチュエータの製造方
法。16. The method according to claim 13, wherein the support comprises silicon.
むことを特徴とする請求項１３記載の圧電式アクチュエ
ータの製造方法。17. The method according to claim 13, wherein the first insulating layer includes a silicon oxide film.
ド膜を含むことを特徴とする請求項１３記載の圧電式ア
クチュエータの製造方法。18. The method according to claim 13, wherein the second insulating layer includes a silicon nitride film.
ことを特徴とする請求項１３記載の圧電式アクチュエー
タの製造方法。19. The method according to claim 13, wherein the support is removed by anisotropic etching.
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|---|---|---|---|
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-
2000
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|---|---|---|---|---|
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