JP2967308B2

JP2967308B2 - 微小カンチレバー型プローブ及びその製造方法、それを備えた表面観察装置及び情報処理装置

Info

Publication number: JP2967308B2
Application number: JP25590691A
Authority: JP
Inventors: 俊光川瀬; 克彦新庄; 修高松; 勝則畑中
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-09-09
Filing date: 1991-09-09
Publication date: 1999-10-25
Anticipated expiration: 2014-10-25
Also published as: JPH0566127A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
又は原子間力顕微鏡等の表面観察装置や、高密度記録再
生装置等に使用され、電流、微少な力、等を検出する微
小カンチレバー型プローブ及びその製造方法、それを用
いた表面観察装置及び情報処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、実空間で導体表面を原子スケール
の分解能で観察できる走査型トンネル顕微鏡（以後、Ｓ
ＴＭと略す）が開発された［Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇｅｔ
ａｌ．，ＨｅｌｖｅｔｉｃａＰｈｙｓｉｃａＡｃｔ
ａ．，５５，７２６（１９８２）］。このＳＴＭの面内
分解能は、０．１ｎｍ程度である。最近、ＳＴＭの実用
化が進み国内外数社からのＳＴＭの販売が開始され、幅
広い分野で手軽に使用され始めた。

【０００３】かかるＳＴＭは、真空中のみならず大気中
や液体中でも動作し、その応用分野は表面粗さ計測等に
始まり、半導体・生体分子・化学反応・超微細加工など
広範囲である。

【０００４】また、ＳＴＭが導体表面の観察に適してい
るのに対し、絶縁体表面の観察が可能な原子間力顕微鏡
（以後、ＡＦＭと略す）が、近年ＳＴＭファミリーの装
置としてＳＴＭと同様に注目を集めている（Ｂｉｎｎｉ
ｇｅｔａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５６
（１９８６）９３０参照）。既に、ＡＦＭ装置として販
売も開始され始めている。

【０００５】かかるＡＦＭは、先端径の小さな探針を持
つカンチレバー部と、このレバーの曲がりを測定する変
位測定部から構成される。この探針は、カンチレバーの
自由端にカンチレバー本体とは別々に作製される場合
や、カンチレバー自体を試料表面と傾けて設置すること
によりカンチレバーの自由端を探針として用いる場合等
がある。

【０００６】一般に、物質表面間には、比較的遠距離に
おいては分散力による微弱な引力、近距離では斥力が働
く。カンチレバーの曲がりは、この作用する力に比例す
るので、この曲がりを測定することによって探針先端と
これに数ｎｍ以内に近接する試料表面に働く微弱で局所
的な力を検出することが可能となる。さらに、試料を走
査することで試料表面の力の２次元的情報が得られる。
さらに、カンチレバーの曲がりを一定にするようにフィ
ードバックをかけながら走査することにより、試料表面
の微小な凹凸形状を観察できる。

【０００７】ＳＴＭは、試料表面の電子状態の観察に適
しているのに対し、ＡＦＭは、試料表面の凹凸情報を観
察するのに適している。特に近年では、ＳＴＭ及びＡＦ
Ｍのそれぞれの特徴を生かしＳＴＭ、ＡＦＭを複合化
し、同時に表面像を得ることにより観察情報をより多く
し、分析に幅を持たせた観察を行う試みが活発になされ
ている。この複合化には、トンネル電流及び原子間力を
検出するプローブ付きカンチレバーの作製が検出分解能
を決定する上で重要なポイントとなる。このカンチレバ
ーの作製方法の具体的な例として、窒化Ｓｉカンチレバ
ー上に支持されたＳｉ探針の表面に金属を数１０ｎｍコ
ーティングし作製している（Ｒ．Ｃ．Ｂａｒｒｅｔｔ
ｅｔａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５７
（１０），３Ｓｅｔｅｍｂｅｒ１９９０）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術では、以下に述べる欠点があった。カンチレバー上への金属コーティングにおいて、引っ
張り応力や、不均一膜厚応力が起こり易く、その結果カ
ンチレバーに反りが生じ、ＡＦＭでは検出の誤差原因と
なっていた。カンチレバー上のプローブへのコーティングにより、
検出分解能を決定するプローブ先端曲率半径が大きくな
り、ＳＴＭ，ＡＦＭの装置性能が低下してしまう場合が
あった。

【０００９】すなわち、本発明の目的とするところは、
上述のような問題点を解消し得る微小カンチレバー型プ
ローブ，その製造方法，表面観察装置及び情報処理装置
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
するための本発明の構成は以下の通りである。

【００１１】第１に、プローブと試料との間に流れるト
ンネル電流ないしはプローブと試料との間に働く微小な
力を検出する微小プローブと、該微小プローブを支持す
るカンチレバーと、該カンチレバーを支持する支持体
が、導電性の単結晶材料で一体に形成されており、前記
微小プローブが、３つの結晶面によって囲まれ、これら
の結晶面の集合点を頂点とした尖頭部を有し、これらの
結晶面のうち少なくとも１つの面がエッチング面である
微小カンチレバー型プローブとしている点にある。

【００１２】

【００１３】また、前記結晶面として、（２１１）（１
１０）（１００）面、（２１１）（１１０）（１１０）
面、（２１１）（１１０）（０１０）面、（２１１）
（１１０）（００１）面、のいずれかを用いることが好
ましい。

【００１４】また、単結晶材料は、（２１１）ないしは
（１１０）面を主平面とし、該（２１１）ないしは（１
１０）面上ないしは（２１１）ないしは（１１０）面内
に前記３つの面でかこまれた尖頭部をもつ微小プローブ
が一体形成されている構成とすることが好ましい。

【００１５】第２に、微小カンチレバー型プローブの製
造に際し、先ず、単結晶材料をカンチレバー，該カンチ
レバーの支持体及びプローブの形状に３次元機械加工を
施した後、全表面をウエットエッチングすることにより
仕上げることを特徴とする微小カンチレバー型プローブ
の製造方法としている点にある。

【００１６】ここで、ウエットエッチングとしては、結
晶方位のエッチング速度差を利用した異方性エッチング
とすることが好ましく、また、機械加工として、光レー
ザーを加工手段とすることが好ましい。

【００１７】第３に、プローブと試料の間に流れるトン
ネル電流ないしはプローブと試料の間に働く微小な力を
検出しながら３次元に相対移動させることにより試料表
面を観察できる表面観察装置において、該プローブとし
て前記第１に記載の微小カンチレバー型プローブを用い
たことを特徴とする表面観察装置としている点にある。

【００１８】第４に、記録層へ記録及び／又は消去用の
電圧の印加ないしは、プローブと記録層との間に流れる
トンネル電流ないしはプローブと記録層との間に働く原
子間力の変動から記録層に記録された情報を読みとる情
報処理装置において、該プローブとして前記第１に記載
の微小カンチレバー型プローブを用いたことを特徴とす
る情報処理装置としている点にある。

【００１９】尚、本発明に係る単結晶体としては、炭化
物単結晶体を好適に用いることができる。具体的には、
例えばＴｉＣ、ＷＣ、ＳｉＣ等を用いることができる。

【００２０】さらに、本発明の微小カンチレバー型プロ
ーブの形状に３次元加工する際の具体的方法としては、
ワイヤーカット放電、ＣＯ₂ ガスレーザー、ＹＡＧレー
ザー、エキシマレーザー等の加工機を用いて作製するこ
とができる。

【００２１】すなわち、本発明の微小カンチレバー型プ
ローブの構成によれば、微小プローブの尖頭部が３つの
結晶面で囲まれた集合点であり、かつ少なくとも１つの
面はエッチング面であることから、先端の鋭利さの再現
性が確保されている。また、本発明における微小カンチ
レバー型プローブの材料は導電性を有し、かつ、ＡＦＭ
で使用されるカンチレバー形状であり、作製した微小カ
ンチレバー型プローブでＳＴＭ、ＡＦＭの同時観察が可
能である。

【００２２】また、本発明における微小カンチレバー型
プローブを用いる情報処理装置としては、上記ＳＴＭ、
ＡＦＭの原理を応用して、記録媒体の記録層に記録され
た情報を読み取ったり、情報の記録や消去を行う装置を
挙げることができる。

【００２３】

【実施例】以下、実施例にて本発明を具体的に説明す
る。

【００２４】（実施例１）図１は本発明に係る微小カン
チレバー型プローブの概略図である。１はトンネル電流
或は微少な力等を検出する鋭利な尖頭部を有する微小プ
ローブであり、３つの結晶面で囲まれた集合点が前記検
出部分にあたる。２は検出した微少な力を機械的変位に
変換するないしは微小プローブ１を支持するカンチレバ
ー部である。３は微小プローブ１及びカンチレバー部２
を支持する支持体である。上記微小プローブ１，カンチ
レバー部２，支持体３は、一体で形成されている。ま
た、微小カンチレバー型プローブの材料としては、好適
に高融点、高硬度の機械的特性を持つＴｉＣ、ＷＣ、Ｓ
ｉＣ等の炭化物単結晶系の材料が挙げられる。しかし、
前記材料に限定されるものではなく、高い導電性を有し
かつ単結晶体であり異方性エッチングが可能であれば基
本的には適用可能である。

【００２５】以下に、図１に示す微小カンチレバー型プ
ローブの製造方法を具体的に説明する。

【００２６】図２（ａ）は、結晶方位（１１０）面を主
平面とする６×７×３ｍｍ³ の直方体のＴｉＣ単結晶材
料２１を示す。この材料は、フローティングゾーン法に
より作製されたバルクのＴｉＣ単結晶材料からワイヤー
カット放電加工機を用いて切り出したものである。

【００２７】図４は、ＴｉＣ単結晶材料の超精密機械加
工を行うレーザー加工機である。レーザーには、ＹＡＧ
レーザーを使用した。３１は真空チャンバー、３２は排
気口、３３は冷却水、３４はガス吸入管、３５はガス流
量調整バルブ、３６は導電性単結晶材料２１を２次元に
精密移動させるためのＸＹステージ、３７は真空チャン
バー３１の外に設置されたＹＡＧレーザー、З８はＹＡ
Ｇレーザー３７から出力されたレーザーを真空チャンバ
ーの中へ導入するための窓、３９はレーザーを９０度曲
げるための屈折板、４０はレーザーを集光するためのレ
ンズ、４１はレーザーを出力するためのノズルである。
上記レーザー加工機の性能を以下に示す。真空チャンバ
ー内の圧力は、２×１０^-6Ｔｏｒｒである。また、真空
チャンバー３１内へは、ガス吸入管３４よりＡｒガスが
１０ＳＣＣＭ導入されている。ＹＡＧレーザー３７は、
平均出力最大１２Ｗの連続発振と尖頭値出力で最大２３
ｋＷのパルス発振が可能である。

【００２８】図２（ｂ）〜（ｄ）及び図３（ａ）〜
（ｃ）は、机上検討にてあらかじめ決定した微小カンチ
レバー型プローブの形状及び大きさのものと、同じ比率
で大きくした形状を示すもので、図３のＹＡＧレーザー
加工機で２次元ないしは３次元機械加工する工程の説明
図である。加工時の各条件値を以下に列挙する。

【００２９】レーザー平均出力：９Ｗレーザー繰り返し周波数：１ｋＨｚ繰り返し回数：２０回ＸＹステージ速度：２ｍｍ／秒レーザー照射焦点：導電性単結晶材料２１の表面図２（ｂ）は、図１に示すカンチレバー部２の形状の
１．５倍の大きさで、図２（ａ）の材料から前記カンチ
レバー部２の形状に２次元的に加工した後の概略図であ
る。主平面内カンチレバー部の一辺が７５０μｍでカン
チレバー部先端の角度が９０度になるように加工した。

【００３０】図２（ｃ）は、図２（ｂ）の試料を図４の
ＹＡＧレーザー加工機内のＸＹステージ３６上での固定
角度を変えて再度固定し、主平面及び裏面に対し水平に
レーザーを照射し、図１に示すカンチレバー形状（微小
プローブは除く）の１．５倍の大きさに加工した。微小
カンチレバー部２２の３面中の一面は、（１００）面と
なるように２次元加工した。（１００）面は、（１１
０）面に比べエッチング速度が速いのでそれを考慮し
て、微小プローブ部分の寸法を大きく設定し加工した。
図２（ｄ）は図２（ｃ）の側面図である。

【００３１】この後、加工した図２（ｃ）の試料をＹＡ
Ｇレーザー加工機内から取り出しエッチングする工程に
入る。レーザー加工した時に生じる５０μｍ程度の試料
表面の加工変質層があるため、エッチング速度が不均一
であり、この部分を最初エッチングしてから再度エッチ
ング時間の設定を行い、最終的なエッチングを行う工程
をとった。エッチング液には、フッ硝酸溶液（組成比、
ＨＦ：ＨＮＯ₃ ：Ｈ₂Ｏ＝１：１：１）を用いた。

【００３２】以下にウエットエッチングのプロセスを示
す。栓のついたポリエチレン製のビンを用意し、その中
でフッ硝酸溶液を調合した。この溶液の中へ、ゆっくり
と図２（ｃ）の機械加工後の試料を入れた。この後、ポ
リエチレン製のビンを封止し、６日間放置した。溶液中
放置エッチングにおけるＴｉＣ単結晶体のフッ硝酸溶液
の系でのエッチングレートは、（１１０）面で１μｍ／
時間であった。６日間放置後取り出し、純粋で十分洗浄
し図３（ａ）に示す微小カンチレバー型プローブの形状
が完成した。図３（ｂ）は図３（ａ）の側面図、図３
（ｃ）は図３（ａ）の平面図である。

【００３３】完成した微小カンチレバー型プローブの大
きさを以下に示す。カンチレバー部の大きさは、一辺が
５００μｍで厚さが１μｍ、微小プローブの高さは、３
０μｍであり、先端部は（２１１）（１１０）（１０
０）面の３面で囲まれている。前記３面で囲まれた集合
点の先端曲率半径は、２０ｎｍ程度であった（走査化型
電子顕微鏡の観察結果による）。

【００３４】このように、導電性の鋭利な先端を有する
微小プローブを備え、かつ再現性のあるカンチレバーを
一体形成することができた。

【００３５】（実施例２）図５において、本発明の微小
カンチレバー型プローブを表面観察装置に搭載した実施
例を示す。

【００３６】図５において、２００はＨＯＰＧ（高配向
グラファイト）上に液晶（１０ＣＢ）分子を蒸着した観
察試料、２０１は導電性ＴｉＣ単結晶材料を３次元機械
加工と全表面ウエットエッチング処理により作製した微
小カンチレバー型プローブであり、２０２は観察試料２
００を３次元に走査する微動用圧電素子、２０３はバイ
アス電源、２０４は微小カンチレバー型プローブ２０１
を観察試料２００へ粗接近させる粗動機構、２０５はＨ
ｅＮｅレーザー等の光源、２０６は光源２０５を集光さ
せるレンズ、２０７は微小カンチレバー型プローブのた
わみ量を検出する２分割フォトダイオード、２０８は２
分割フォトダイオード２０７から得られる信号を処理す
るＺ方向フィードバック信号回路、２０９は切り替えス
イッチ、２１０は微小信号を増幅する増幅器、２１１は
粗動機構２０４を制御する粗動制御回路、２１２は送ら
れてくる電気信号をデジタル処理するコンピュータ、２
１３は画像として表示する表示装置、２１４は微動素子
２０２を３次元に走査する３次元走査回路、２１６は電
流電圧変換器、２１７は対数変換器、２１８は比較器、
２１９は積分器である。この構成による装置では、トン
ネル電流を検出し画像を得るＳＴＭと微小な力を検出し
画像を得るＡＦＭの複合装置である。

【００３７】次に、上述の構成からなる本実施例の表面
観察装置を大気中にて作動させる。まず、ＳＴＭの作動
例を説明する。微小カンチレバー型プローブ２０１を観
察試料２００との間に流れるトンネル電流の値が、数ｎ
ｍの一定状態になるように制御するために、バイアス電
源２０３が２００ｍＶの電圧値に設定された状態で電流
電圧変換器２１６、対数変換器２１７、比較器２１８、
積分器２１９、増幅器２１０を通じた電気フィードバッ
ク信号を微動用圧電素子２０２に与える。切り替えスイ
ッチ２０９はＳＴＭ側（紙面下側）にセットされてい
る。微動圧電素子２０２の変位量は、１ｋＶ／１μｍで
ある。

【００３８】この後、電気フィードバックをかけながら
微動圧電素子２０２を３次元走査回路２１４にて、微小
カンチレバー型プローブ２０１と観察試料２００との間
に流れるトンネル電流が一定となるように走査させ、試
料表面の分子像を表示装置２１３に出力した。この像は
電流像であるが、画像の分析情報をより多く求めるため
に、同じ装置を用いてＡＦＭ作動させ試料の凹凸情報を
えることにした。以下にＡＦＭの動作例を説明する。切
り替えスイッチ２０９をＡＦＭ側（紙面上側）に切り替
える。微小カンチレバー型プローブ２０１に対向してお
かれた観察試料２００を、微動圧電素子２０２及び粗動
圧電素子２０４によって、微小カンチレバー型プローブ
２０１上の微小プローブと観察試料２００の間の距離が
１ｎｍ以下の距離になるまで接近させる。

【００３９】ここで、微小カンチレバー型プローブ２０
１と観察試料２００との間に働く原子間力によってカン
チレバーにたわみが生じるが、このたわみ量を一定にす
るように（原子間力が一定になるように）Ｚフィードバ
ック信号２０８からのフィードバック信号を増幅器２１
０を通して微動圧電素子２０２に加え微小カンチレバー
型プローブ２０１と観察試料２００との間隔を制御す
る。カンチレバーのたわみは、光源２０５から出力され
た光をレンズ２０６によって集光し、カンチレバーにあ
たって反射された光を２分割フォトダイオード２０７に
より検出される。画像として出力するために３次元走査
回路２１４を用い試料表面を微動圧電素子２０２にて、
原子間力一定のフィードバックをかけながら走査し、得
られる凹凸情報を表示装置に出力する。

【００４０】このように、同じ装置でＳＴＭ像とＡＦＭ
像の両画像を高分解能でえることができた。本実施例で
は、ＳＴＭ、ＡＦＭを別々に動作させたが同時動作も容
易に可能である。

【００４１】（実施例３）次に、第３の実施例を図６、
図７を用いて説明する。本実施例は、情報処理を行うプ
ローブ電極に本微小カンチレバー型プローブを適用した
ものである。

【００４２】図６は、本発明の情報処理装置を示すブロ
ック構成図である。図６中、１０５はプローブ電流増巾
器で、１０６は圧電素子を用いた微動機構１０７をプロ
ーブ電流が一定になるように、制御するサーボ回路であ
る。１０８はプローブ電極１０２と電極１０３の間に記
録／消去用のパルス電圧を印加するための電源である。

【００４３】パルス電圧を印加するときプローブ電流が
急激に変化するため、サーボ回路１０６は、その間ＨＯ
ＬＤ回路をＯＮにしてサーボ回路１０６の出力電圧が一
定になるように制御している。

【００４４】１０９はＸＹ方向にプローブ電極１０２を
移動制御するためのＸＹ走査駆動回路である。１１０と
１１１は、あらかじめ１０^-9Ａ程度のプローブ電流が得
られるようにプローブ電極１０２と記録媒体１００との
距離を粗動制御するものである。．これらの各機器は、
すべてマイクロコンピュータ１１２により中央制御され
ている。また１１３は表示機器を表している。

【００４５】また、圧電素子を用いた移動制御における
機械的性能を下記に示す。

【００４６】Ｚ方向微動制御範囲：０．１ｎｍ〜１μｍＺ方向粗動制御範囲：１０ｎｍ〜１０ｍｍＸＹ方向走査範囲：０．１ｎｍ〜１μｍ計測，制御許容誤差：＜０．１ｎｍ以下、本発明を実施例に従って説明する。図６に示す情
報処理装置を用いた。プローブ電極１０２として３次元
機械加工とウェットプロセスにより作製した単結晶Ｔｉ
Ｃ微小カンチレバー型プローブを用いた。このプローブ
電極１０２と記録層１０１の表面の間を流れるプローブ
電流を一定に保つように、圧電素子を用いてプローブ電
極１０２と記録層１０１の表面との距離（Ｚ）を微動制
御する。更に微動制御機構１０７は距離Ｚを一定に保っ
たまま、面内（Ｘ，Ｙ）方向にも微動制御できるように
設計されている。しかし、これらはすべて従来公知の技
術である。またプローブ電極１０２は直接記録・再生・
消去を行うために用いることができる。また、記録媒体
は高精度のＸＹステージ１１４の上に置かれ、任意の位
置に移動させることができる。

【００４７】次に、Ａｕで形成した電極１０３の上に形
成されたスクアリリュウム−ビス−６−オクチルアズレ
ン（以下ＳＯＡＺと略す）のＬＢ膜（８層）を用いた記
録・再生・消去の実験についてその詳細を記す。

【００４８】ＳＯＡＺ８層を累積した記録層１０１をも
つ記録媒体１００をＸＹステージ１１４の上に置き、ま
ず目視によりプローブ電極１０２の位置を決め、しっか
りと固定した。Ａｕ電極１０３に対して、プローブ電極
１０２に−１．０Ｖの電圧を印加し、電流をモニターし
ながらプローブ電極１０２と記録層１０１表面との距離
（Ｚ）を調整した。その後、微動制御機構１０７を制御
してプローブ電極１０２と記録層１０１表面までの距離
を変えていくと、図７に示すような電流特性が得られ
た。

【００４９】なお、プローブ電流および、プローブ電圧
を変化させることでプローブ電極１０２と記録層１０１
表面との距離Ｚを調整することができるが、距離Ｚを適
当な値で一定に保持するためには、プローブ電流Ｉｐが
１０^-7Ａ＞Ｉｐ＞１０^-12 Ａ、好適には１０^-8Ａ＞Ｉｐ
＞１０^-10 Ａになるようにプローブ電圧を調整する必要
がある。

【００５０】まず、図７のａ領域の電流値に制御電流を
設定した（１０^-7Ａ）。この条件下ではプローブ電極１
０２は記録層１０の表面に接触している。サーボ回路１
０６の出力電圧を一定に保持し、以下の実験を行なっ
た。プローブ電極１０２とＡｕ電極１０３との間に電気
メモリー効果を生じる閾値電圧を越えていない電圧であ
る０．５Ｖ読み取り用電圧を印加して電流値を測定した
ところ、μＡ以下でＯＦＦ状態を示した。次にＯＮ状態
を生じる閾値電圧ＶｔｈＯＮ以上の電圧である波形をも
つ三角波パルス電圧を印加したのち、再び０．５Ｖの電
圧を電極間に印加して電流を測定したところ、０．３ｍ
Ａ程度の電流が流れＯＮ状態となっていたことを示し
た。

【００５１】次にＯＮ状態からＯＦＦ状態ヘ変化する閾
値電圧ＶｔｈＯＦＦ以上の電圧である三角波パルス電
圧を印加したのち、再び０．５Ｖを印加したところ、こ
の時の電流値はμＡ以下でＯＦＦ状態に戻ることが確認
された。次にプローブ電圧を０．５Ｖとし、プローブ電
流Ｉｐを１０^-9Ａ（図６のｂ領域に相当する。）に設定
して、プローブ電極１０２と記録層１０１表面との距離
Ｚを制御した。

【００５２】ＸＹステージ１１４を一定の間隔（１μ）
で移動させながら、前記と同様な波形を有する闘値電圧
ＶｔｈＯＮ以上のパルス電圧（Ｖｍａｘ＝−１５Ｖ）
を印加して、ＯＮ状態を書き込んだ。なお、パルス電圧
を印加する際は、サーボ回路の出力電圧を一定にしてい
る。

【００５３】書き込まれた情報は、書き込みの際と同じ
条件でプローブ電極１０２と記録層１０１の表面の距離
を制御したのち、サーボ回路１０６の出力を一定に保持
したままで、ＸＹステージ１１４を駆動し、ＯＮ状態領
域とＯＦＦ状態領域とのプローブ電流の変化で直接読み
取るか、又は、サーボ回路１０６を動作させたまま（Ｈ
ＯＬＤ回路ＯＦＦ）ＸＹステージ１１４を駆動し、ＯＮ
状態領域とＯＦＦ状態領域とでのサーボ回路１０６の出
力電圧の変化で読み取ることができる。本例では、ＯＮ
状態領域でのプローブ電流が記録前（又はＯＦＦ状態領
域）と比較して３桁以上変化していたことを確認した。

【００５４】更に書き込みの際と同じ条件でプローブ電
極１０２と記録層１０１の表面との距離を制御したのち
サーボ回路１０６の出力を一定に保持し、プローブ電圧
をＶｔｈＯＦＦ以上の８Ｖに設定して、再びＸＹステ
ージ１１４を駆動して、記録位置をトレースした結果、
全ての記録状態が消去され、ＯＦＦ状態に遷移したこと
も確認した。

【００５５】ＸＹステージ１１４を駆動するかわりにＸ
Ｙ駆動回路１０９を動作させ、微動制御機構１０７を駆
動して、０．０１μ間隔に、前述と同じ条件で記録・再
生・消去の実験を行っても、同様な結果が得られた。す
なわち、書き込み後の記録層１０１の表面との距離を一
定に保持したのち、サーボ回路１０６の出力を一定に
し、その後微動制御機構１０７を駆動して、記録位置を
トレースしたところ、０．０１μ周期で３桁以上のプロ
ーブ電流の変化を確認した。また、同じ条件でプローブ
電圧を８Ｖに設定し、記録位置をトレースした結果、
０．０１μ周期の記録状態は全て消去されることも確認
した。上述の記録・再生・消去実験を繰り返して行って
も安定した実験が可能であった。

【００５６】次に微動制御機構１０７を用いて、０．０
０１μから０．１μの間の種々のピッチで長さ１μのス
トライプを上記の方法で書き込み、分解能を測定したと
ころ、０．０１μ以上のピッチでは常に３桁以上のプロ
ーブ電流の変化が書き込みピッチと同じピッチで確認さ
れた。０．０１μ未満のピッチではプローブ電流の変化
が次第に小さくなり、０．００１μピッチではプローブ
電流の変化の観測は困難であった。

【００５７】以上の実験に用いたＳＯＡＺ−ＬＢ膜は下
記のごとく作成した。

【００５８】光学研摩したガラス基板（基板１０４）を
中性洗剤およびトリクレンを用いて洗浄した後下引き層
としてＣｒを真空蒸着法により厚さ５０Å堆積させ、更
にＡｕを同法により４００Å蒸着した下地電極（Ａｕ電
極１０３）を形成した。

【００５９】次にＳＯＡＺを濃度０．２ｍｇ／ｍｌで溶
かしたクロロホルム溶液を２０℃の水相上に展開し、水
面上に単分子膜を形成した。溶媒の蒸発を待ち係る単分
子膜の表面圧を２０ｍＮ／ｍまで高め、更にこれを一定
に保ちながら前記電極基板を水面を横切るように速度５
ｍｍ／分で静かに浸漬し、さらに引上げ２層のＹ形単分
子膜の累積を行った。

【００６０】以上説明したように、情報処理を行うプロ
ーブ電極にＴｉＣ単結晶微小カンチレバー型プローブを
適用した結果、繰り返しパルス掃引を行っても安定して
記録・再生・消去ができた。

【００６１】また、本発明では記載しなかったが、再生
部分をトンネル電流ではなく、原子間力を検出し再生し
てもよい。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、導電性単結晶材料
で一体形成された微小カンチレバー型プローブをプロー
ブ先端の鋭利さ、反りのないカンチレバーの両面におい
て、再現性よく作製することができた。

【００６３】また、表面観察装置や記録再生装置に該微
小カンチレバー型プローブを適用した結果、導電性、非
導電性にかかわらず安定で高分解能の表面観察や、記録
・再生・消去を行うことが可能であり、装置の性能を向
上させることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る微小カンチレバー型プローブの斜
視構成図である。

【図２】本発明に係る微小カンチレバー型プローブの製
造工程を示す図である。

【図３】本発明に係る微小カンチレバー型プローブの製
造工程を示す図である。

【図４】超精密機械加工を行うレーザー加工機の概略構
成図である。

【図５】本発明に係る表面観察装置のブロック構成図で
ある。

【図６】本発明に係る情報処理装置のブロック構成図で
ある。

【図７】プローブ電極と記録層間の距離に対する電流特
性を示す図である。

【符号の説明】

１微小プローブ２カンチレバー部３支持体２１単結晶材料３１真空チャンバー３２排気口３３冷却水３４ガス吸入管３５ガス流量調整バルブ３６ＸＹステージ３７ＹＡＧレーザー３８レーザー導入窓３９屈折板４０レンズ４１ノズル１００記録媒体１０１記録層１０２プローブ電極１０３基板電極１０４基板１０５プローブ電流増巾器１０６サーボ回路１０７微動制御機構１０８パルス電源１０９ＸＹ走査駆動回路１１０粗動機構１１１粗動駆動回路１１２マイクロコンピュータ１１３表示装置１１４ＸＹステージ２００観察試料２０１微小カンチレバー型プローブ２０２微動用圧電素子２０３バイアス電源２０４粗動機構２０５光源２０６集光レンズ２０７２分割フォトダイオード２０８Ｚ方向フィードバック信号回路２０９切り替えスイッチ２１０増幅器２１１粗動制御回路２１２コンピュータ２１３表示装置２１４３次元走査回路２１６電流電圧変換器２１７対数変換器２１８比較器２１９積分器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者畑中勝則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 (56)参考文献特開平４−22809（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 21/30 G01B 7/34 G01N 37/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】プローブと試料との間に流れるトンネル
電流ないしはプローブと試料との間に働く微小な力を検
出する微小プローブと、該微小プローブを支持するカン
チレバーと、該カンチレバーを支持する支持体が、導電
性の単結晶材料で一体に形成されており、前記微小プロ
ーブが、３つの結晶面によって囲まれ、これらの結晶面
の集合点を頂点とした尖頭部を有し、これらの結晶面の
うち少なくとも１つの面がエッチング面であることを特
徴とする微小カンチレバー型プローブ。
【請求項２】前記結晶面が、（２１１）（１１０）
（１００）面であることを特徴とする請求項１記載の微
小カンチレバー型プローブ。
【請求項３】前記結晶面が、（２１１）（１１０）
（１１０）面であることを特徴とする請求項１記載の微
小カンチレバー型プローブ。
【請求項４】前記結晶面が、（２１１）（１１０）
（０１０）面であることを特徴とする請求項１記載の微
小カンチレバー型プローブ。
【請求項５】前記結晶面が、（２１１）（１１０）
（００１）面であることを特徴とする請求項１記載の微
小カンチレバー型プローブ。
【請求項６】単結晶材料の（２１１）又は（１１０）
面を主平面とし、該（２１１）又は（１１０）面上ない
しは（２１１）又は（１１０）面内に前記３つの結晶面
で囲まれた尖頭部をもつ微小プローブが一体形成されて
いることを特徴とする請求項１記載の微小カンチレバー
型プローブ。
【請求項７】請求項１記載の微小カンチレバー型プロ
ーブの製造に際し、単結晶材料をカンチレバー，該カン
チレバーの支持体及び微小プローブの形状に３次元機械
加工を施した後、全表面をウエットエッチングすること
により仕上げることを特徴とする微小カンチレバー型プ
ローブの製造方法。
【請求項８】ウエットエッチングが、結晶方位のエッ
チング速度差を利用した異方性エッチングであることを
特徴とする請求項７記載の微小カンチレバー型プローブ
の製造方法。
【請求項９】前記単結晶材料として炭化物単結晶体を
用いることを特徴とする請求項７記載の微小カンチレバ
ー型プローブの製造方法。
【請求項１０】前記３次元機械加工として、光レーザ
ーを加工手段とすることを特徴とする請求項７記載の微
小カンチレバー型プローブの製造方法。
【請求項１１】プローブと試料との間に流れるトンネ
ル電流ないしはプローブと試料との間に働く微小な力を
検出しながら３次元に相対移動させることにより試料表
面を観察できる表面観察装置において、該プローブとし
て請求項１〜６いずれか一つに記載の微小カンチレバー
型プローブを用いたことを特徴とする表面観察装置。
【請求項１２】記録層へ記録及び／又は消去用の電圧
の印加ないしは、プローブと記録層との間に流れるトン
ネル電流ないしはプローブと記録層との間に働く原子間
力の変動から記録層に記録された情報を読みとる情報処
理装置において、該プローブとして請求項１〜６いずれ
か一つに記載の微小カンチレバー型プローブを用いたこ
とを特徴とする情報処理装置。