JP3015974B2

JP3015974B2 - マルチプローブユニット、情報処理装置、走査型トンネル顕微鏡、カンチレバー型プローブ

Info

Publication number: JP3015974B2
Application number: JP3149323A
Authority: JP
Inventors: 克彦新庄; 敬介山本; 隆行八木; 俊光川瀬; 修高松; 勝則畑中; 有二笠貫; 義勇鈴木; 康弘島田; 裕平井; 優中山
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-05-27
Filing date: 1991-05-27
Publication date: 2000-03-06
Anticipated expiration: 2015-03-06
Also published as: JPH04350510A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物質の表面を高分解で
観察できる、あるいは記録媒体間での情報の入出力に携
わるプローブ（探針）を自由端部に有したカンチレバー
型プローブに係るものであり、さらにはそれを用いた情
報処理装置及び走査型トンネル顕微鏡等に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年において、導体の表面原子の電子構
造を直接観測できる走査型トンネル顕微鏡（以下、ＳＴ
Ｍと略す）が開発され（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇｅｔａ
ｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．４９（１９８２）
５７）、単結晶、非晶質を問わず実空間像を著しく高い
分解能（ナノメートル以下）で測定できるようになっ
た。

【０００３】かかるＳＴＭは、金属のプローブと導電性
物質の間に電圧を加えて、１ｎｍ程度の距離まで近づけ
るとトンネル電流が流れることを利用している。この電
流は両者の距離変化に非常に敏感で指数関数的に変化す
るので、トンネル電流を一定に保つようにプローブを走
査することにより、実空間の表面構造を原子オーダの分
解能で観察することができる。

【０００４】しかし、かかるＳＴＭによる解析では導電
性のサンプルに限られ、絶縁性のサンプルの観察にはむ
かないという欠点がある。そこで、新たに原子間力顕微
鏡（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐ
ｅ；以後ＡＦＭと略す）というアイデアが提唱された
（Ｂｉｎｎｉｇ他Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５６
（１９８６）９３０参照）。かかるＡＦＭは、物質間に
働く力によって物質表面の形状を２次元的に観察するも
のであり、ＳＴＭと異なり電気伝導性のない材料表面や
有機分子がナノメートルオーダーで観察できることか
ら、広範な応用が期待されている。

【０００５】このＡＦＭは、先端径の小さなプローブ
（探針）を持つカンチレバー部と、このカンチレバーの
曲がりを測定する変位測定部から構成される。また、こ
のプローブは、カンチレバーの自由端にカンチレバー本
体とは別個に作製される場合や、カンチレバー自体を試
料面に傾斜配置することによりカンチレバーの自由端を
プローブとして用いる場合等がある。

【０００６】一般に、物質表面間においては、比較的遠
距離においては分散力による微弱な引力が、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プ
ローブ先端とこれに数ｎｍ以内に近接する試料表面間に
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。

【０００７】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。

【０００８】引力モードによるＡＦＭでの分解能は、水
平方向で１０ｎｍ程度であり、試料表面に１０ｎｍ程度
の間隔で凹凸を作製し、それをＡＦＭで読み出すことに
よって、１０¹²ビット／ｃｍ²近い超高密度のメモリを
作製することも可能である。

【０００９】しかし、かかるカンチレバーの変位の検出
感度を上げるためには、弾性定数が非常に小さいカンチ
レバーにしなければならない。一方、除振台を用いた装
置では走査系の掃引周波数と防振の点から、カンチレバ
ーの共振周波数を低くすることはできない。特に、記録
再生等を行う情報処理装置に応用する際にはこれは必須
の条件である。

【００１０】また、近年にあっては記録再生装置におけ
るデータの記録容量は年々大きくなる傾向があり、記録
単位の大きさは小さく記録密度は高くなっている。例え
ば光記録によるディジタル・オーディオ・ディスクにお
いては記録単位の大きさは１μｍ２程度にまで及んでい
る。その背景には、メモリ材料開発の活発化があり、有
機色素・フォトポリマーなどの有機薄膜を用いた安価で
高密度な記録媒体が登場している。

【００１１】かかる装置において、前述カンチレバー型
プローブを用いて記録再生を行う場合、プローブと記録
媒体との距離をオングストロームオーダーで制御するこ
と、及び記録媒体上に２次元に配列した情報を記録再生
するために、プローブの２次元走査を数１０オングスト
ロームオーダーで制御することの２点が重要である。さ
らに、記録再生システムの機能向上、特に高速化の観点
から多数のプローブを同時に駆動すること（プローブの
マルチ化）が提案されている。つまり、多数のプローブ
が配置された面積内で上記の精度でプローブと記録媒体
の相対位置を３次元的に制御しなければならない。

【００１２】しかしながら、従来例のカンチレバーで
は、数Ｖ程度の小さな電圧での圧電力のみによる駆動
で、ミクロンオーダーの変位を取り出すことができる
が、このことは逆に、ＳＴＭによって試料表面の走査を
行う際、オングストロームオーダーの制御をするには１
００μＶ程度の電源の制御が必要となる。従って、マル
チプローブ型にする際、試料表面と各プローブ間隔を１
ナノメーター程度に揃え、かつ各プローブを走査するに
は数Ｖ印加した上で１００μＶの制御を行わなければな
らず、外来ノイズ、電源自体のノイズ等の影響を鑑みれ
ば非常に困難である。

【００１３】上記問題点に対して、圧電力駆動のカンチ
レバーと静電駆動部をシーソー型に配置したものが考え
られるが、マルチプローブ型の集積化には不利である。

【００１４】また、上記従来例のカンチレバーをＳｉ基
板上に集積化して面内に多数個設けた場合、カンチレバ
ー一本一本の高さが異なるという問題がある。これは、
圧電体薄膜や電極薄膜の形成の際、通常スパッタリング
や蒸着法が用いられるが、これらの薄膜形成時の面内の
不均一性によるものである。この不均一性から生じる内
部応力や膜厚の違い等から、面内に均一にカンチレバー
の高さを揃えることは非常に困難である。これを記録再
生装置に用いた場合、各カンチレバー部の圧電部分に一
定の高さになるようバイアス電圧を加えなければならな
い。

【００１５】しかし、カンチレバー一本で稼動できる範
囲は±１０μｍ程度であるから、これ以上の反りがある
と、補正ができない。また、仮に補正できたとしても、
各カンチレバー部に独立のバイアス電源が必要となり、
制御系回路も複雑になり、規模が大きくなってしまう。

【００１６】さらに、記録再生装置等において、データ
ー転送速度、及びデーター記録速度を向上させるといっ
た面からも、プローブの数を増やす必要がある。この
際、プローブと記録媒体との間隔を調整しつつ、記録デ
ーター列上をプローブが走行する必要がある。しかしな
がら、記録したデーター列の幅が非常に細く、装置の温
度変化によるドリフト、あるいは外部からの振動などの
影響により、プローブがデーター列からはずれて安定し
た記録再生ができなくなる。更に、１つのプローブをデ
ーター列に添って走査させると他のプローブがデーター
列からはずれてしまうこととなる。

【００１７】これを解決するために図１３の様な圧電体
７１と電極７２を積層し圧電体を４ブロックに分け、３
軸駆動が可能な自由端側にトンネル電流を検知するプロ
ーブ７３を要するカンチレバー型プローブが提案されて
いる。かかる構成によれば、図１４（ａ），（ｂ），
（ｃ）に示す様に各電極間に適当なバイアスをかけるこ
とによりＸ，Ｙ，Ｚ軸の各々単独での駆動は可能である
が、特にＸ，Ｙ軸の変位量は小さい。例えば、圧電体に
ＺｎＯを使用し、その微小変位素子の厚さを５μｍ、長
さを１０００μｍ、幅を２００μｍとしたとき、１０Ｖ
印加で、その変位量は、Ｘ軸で約２００ｎｍ、Ｙ軸で約
２０ｎｍ、Ｚ軸で約７５００ｎｍである。Ｚ軸は充分な
ストロークをもつが、記録面の走査方向、すなわちＸＹ
軸のストロークが大きいとはいえない。このようなカン
チレバー型プローブにおいて、広域なＳＴＭによる記録
再生装置に用いるには、媒体側のＸＹステージによる微
動駆動が必要であった。

【００１８】また、カンチレバーの作製においてバイモ
ルフ構成をとっているため工程数も複雑で、厚さ方向の
積層数も多いことから、薄膜のカンチレバーが膜中の内
部応力のために反ってしまう問題があった。また、内部
応力の面内分布のために、前述のようにマルチ化する
と、それぞれの反り量がまばらになってしまう。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の問題点
に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、．カンチ
レバー型プローブを同一平面内にマルチ配列して用いる
際の、各々のプローブ高さのばらつきを取り除くような
構成を簡便な手段にて達成する点、．カンチレバー型
プローブの駆動変位に関し、特にその基板面に平行方
向、すなわちＸＹ平面での変位量を大きくし得る構成を
達成する点、等にあり、さらに、かかるカンチレバー型
プローブを具備した情報処理装置及び走査型トンネル顕
微鏡等を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段及び作用】上記目的は、以
下の構成により達成される。

【００２１】第１に、圧電体効果にて変位するカンチレ
バー型プローブを同一面内に複数設け、該複数のカンチ
レバーの各々に対して、その反り量を静電効果により独
立に位置補正する機構を設けたマルチプローブ、として
いる点にある。

【００２２】すなわち、トンネル電流読み出し用の駆動
方法は圧電体による電歪効果を用い、面内の高さの平面
保持は静電効果による駆動方法を用いるものである。こ
の構成により、予め、複数のカンチレバーの反り量を独
立に一本一本静電気により、高さを揃え、面内の不均一
性を補償するものである。

【００２３】以下、図１に基づいて本発明に係るマルチ
プローブユニットを説明する。図示するように、本発明
はＳｉ基板２８上に、電極３４、誘電体３０、電極２
９、圧電体３１、電極２９の順に積層構成されたカンチ
レバーと、ガラス基板３２の上でカンチレバーの背面下
方に電極３３をはり合わせたものにより構成される。２
はトンネル電流検出用プローブである。このようなカン
チレバー型プローブをＳｉ基板上に複数個形成し、トン
ネル電流を検知することによって記録，再生を行うもの
である。

【００２４】ここで、高さを揃えるためには、電極３
３，３４間に電界を加え、あらかじめ静電荷を蓄わえて
おき寸法を調整する。こうして面内の高さを揃えた後、
トンネル電流検知時の高さ方向の微少動作は圧電体を用
いる。

【００２５】次に、前記目的を達成できる第２の構成
は、圧電体効果にて変位するカンチレバー型プローブを
Ｓｉ基板４５上に形成される複数の短冊状電極４６の上
方に保持し、前記短冊状電極４６に電圧を加える手段に
より、静電効果にて前記カンチレバーをその幅方向に駆
動し得るカンチレバー型プローブ、としている点にある
（図２参照）。

【００２６】また、前記静電効果にて駆動し得る手段
が、カンチレバーの幅方向にそれを固有振動させる手段
とすることによっても前記目的は達成される。

【００２７】さらに、前記カンチレバー型プローブを複
数個、記録媒体と対向配置し、該カンチレバー型プロー
ブの各々に、圧電体を駆動させる手段と該駆動手段を制
御する制御手段とを設け、かつ、記録媒体とプローブと
の間に印加しうる情報の記録又は再生用バイアス電圧印
加回路を備えた情報処理装置、として前記目的を達成す
ることもできる。

【００２８】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明す
る。

【００２９】（実施例１）本実施例では、図１（ａ）に示すマルチプローブユニッ
トについて説明する。６ｍｍ×６ｍｍ，厚さ０．２ｍｍ
のＳｉ基板２８上に、後述の工程で形成したカンチレバ
ーが１２本設けられており、各カンチレバー上部には、
トンネル電流検知用のプローブ２が設けられている。こ
れにガラス基板３２が貼り合わせてある。尚、１本のカ
ンチレバーのサイズは、幅２００μｍ，長さ８００μｍ
である。次に、上記カンチレバーの製造方法について図
１（ｂ）に基づいて行う。まず、Ｓｉ基板（１００）
（厚さ０．３ｍｍ）上に、電極３４を真空蒸着にて形成
後、誘電体薄膜３０，電極２９，圧電体薄膜３１，電極
２９を作製し、フォトリソグラフィーおよびエッチング
によりパターニングした。ついで、トンネル電流検知用
プローブ２を、成膜とフォトリソグラフィーとリフトオ
フにより作製した。その後、ＫＯＨによるＳｉの異方性
エッチングによりＳｉ基板２８の所望の部分を除去し
た。このようにして作製したＳｉ基板上の圧電体変位素
子を図３のように貼り合わせて形成した。尚、ガラス基
板３２の厚さは０．２ｍｍとした。

【００３０】次に、このようにして作製したマルチプロ
ーブユニットの高さの調整法について述べる。図４はマ
ルチプローブユニット、図５はその位置補正ブロック図
を示したものである。基板２８をあらかじめ平行平面の
台に置き、さらに極めて平行平面な導電体３５を一定の
高さに保持し、その後にトンネル電流検知用プローブ２
と導電体３５に一定の電圧をかけ、トンネル電流を検知
する。その後、電極３３−１，３３−２，３３−３，３
３−４に電圧を印加して、各トンネル電流値がほとんど
等しくなるように各電極の電圧を調整した。これによ
り、静電気にて位置の補正を行うことができる。

【００３１】（実施例２）本実施例では、実施例１で作製したマルチプローブユニ
ットを図６に示す情報処理装置に取り付けた。

【００３２】６０１は媒体の基板、６０２は金属電極
層、６０３は記録層である。６０４はＸＹステージ、６
０５はマルチプローブユニット、６０６はマルチプロー
ブユニットの支持体、６０７はマルチプローブユニット
をＺ方向に駆動するリニアアクチュエーター、６０８，
６０９はＸＹステージをそれぞれＸ，Ｙ方向に駆動する
リニアアクチュエーター、６１０は記録再生用のバイア
ス回路である。６１１はプローブ電極から記録層６０３
を介して電極層６０２へ流れる電流を検出する記録再生
用のトンネル電流検出器である。６１２はマルチプロー
ブユニットをＺ軸方向に移動させるためのサーボ回路で
あり、６１３はアクチュエーター６０７を駆動するため
のサーボ回路である。６１４はマルチプローブユニット
をＺ軸方向に動かすための駆動回路であり、６１５はＸ
Ｙステージの位置制御を行う駆動回路である。６１６は
これらの操作を制御するコンピュータである。

【００３３】本実施例では、この情報処理装置にあらか
じめ実施例１により高さを揃えたマルチプローブユニッ
トを取りつけ、記録媒体としてガラス基板上にＣｒ／Ａ
ｕを蒸着し、その上部にポリイミドＬＢ膜を４層（約２
０オングストローム）成膜したものを用いた。尚、この
記録媒体にはパルス電圧を加えると記録媒体の抵抗率が
２ケタ程度変化する特徴がある。

【００３４】次に、マルチプローブユニットの圧電駆動
部に電圧をかけ、独立にカンチレバー部を動作させる。
記録媒体の電極とカンチレバー先端のトンネル電流検知
用プローブとの間に１．５Ｖの電圧をかけ、それぞれの
プローブが１０^-8Ａ程度のトンネル電流になるようにカ
ンチレバー部の高さを調整した。その後、プローブにパ
ルス電圧（５Ｖ）を加え、所望の位置に情報を記録し
た。尚、その記録領域は、１００オングストローム×１
００オングストローム程度で非常に小さく、超高密度の
記録を行うことができた。

【００３５】次に、記録媒体の電極とプローブとの間に
１．５Ｖの電圧をかけ、トンネル電流の計測をしたとこ
ろ、記録した部分に抵抗値が変化した部分を検出した。
このように、本実施例においては、記録情報の書き込
み、読み出しが行えることを確認した。

【００３６】（実施例３）本実施例で示すものは、短冊状電極を有するカンチレバ
ー型プローブである。

【００３７】図２（ａ）に本実施例構成１部分の斜視図
を示す。さらに図２（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。これ
は、Ｓｉ基板４５上に、通常のＩＣ作製プロセスとＳｉ
の異方性エッチングとにより作製したものである。絶縁
層からなる弾性薄膜４１上に、圧電体薄膜４２を挟持し
て圧電体電極４３を形成し、その上端部に情報入出力プ
ローブ４４を形成した圧電薄膜カンチレバーである。こ
の構成では、圧電体層１層、電極１組で、いわゆるユニ
モルフ構成をとった薄膜カンチレバーでできている。こ
の圧電体電極４３に電界を加えると、薄膜カンチレバー
の厚さ方向に駆動する（図中Ｚ軸）。この構成による
と、圧電薄膜カンチレバーの積層数が従来のバイモルフ
構造よりも少ないので内部応力による反りも緩和され
る。

【００３８】さらに、Ｓｉ基板４５上に形成された短冊
状電極４６に電界を加えると、静電気によりＹ軸方向に
駆動することができる。なお、４７はｎ−Ｓｉでできた
支持体で、４９は短冊状電極４６の取り出し電極であ
る。これは、Ｙ軸方向の静電アクチュエーターを内蔵し
た構成をとっている。

【００３９】このＹ軸への駆動原理を図７に基づいて説
明する。この原理は例えば、生産研究第４１巻第１２
号、１９８９年１２月に掲載されている。これは、静電
気によって動作をするものである。

【００４０】図７（ａ）に示すように、電圧を印加する
と抵抗体内で電荷が動き、絶縁体５２が帯電する。次に
図７（ｂ）のように絶縁体５１は帯電する。次に図７
（ｃ）のように印加電圧をかけると、反発作用が起こ
る。その結果、図７（ｄ）の矢印に示すように駆動する
ことができる。

【００４１】本発明においては、この原理を用いて短冊
状電極４６に、それぞれある電界を加えて薄膜カンチレ
バーをＹ軸に働く力を発生させるものである。つまり、
図２（ａ）に示したように、薄膜カンチレバーの裏面に
ある弾性薄膜４１が絶縁層となり、さらに短冊状電極４
６と薄膜カンチレバーとの空間が絶縁層となっている。
つまり、上述したように短冊状電極４６にある交流の電
界を加えると、薄膜カンチレバーがＹ軸方向に駆動する
ものである。これは、交流の電界の周波数を、薄膜カン
チレバーの幅方向の固有振動数と一致させると、Ｙ軸方
向に振動する。すなわち、このＹ軸の固有振動数で振動
するモードをＹ軸のストロークとすることを特徴として
いる。

【００４２】次に、この構成を得るための工程を図８を
用いて説明する。図８（ａ）に示すのは、ｎ型Ｓｉ（１
００）基板４５にＢ（ボロン）を選択的に拡散させ、Ｐ
⁺層にして短冊状の電極４６を形成したものである。こ
こでは図示してないが、Ｙ方向に短冊状電極４６が多数
配置してある。次に、１１００℃でＳｉＣｌ₄を用いＰ
Ｈ₃をドーパントとして１．５μｍエピタキシャル成長
させ、ｎ型のエピタキシャル層４７を得る。次に、選択
的に再度Ｂを拡散させてＰ⁺層４８を形成した。これは
電極４６の引出し用である。また基板４５とエピタキシ
ャル層４７とをｎ型にするのは、Ｐ⁺の電極と電気的に
分離するためである。次に、ＬＰＣＶＤによるＮＨ₃と
ＳｉＨ₂Ｃｌ₂の気相成長により、Ｓｉ₃Ｎ₄で形成した弾
性薄膜４２を４００ｎｍ成膜し、カンチレバーの形を得
るためのパターニングを行った。図８（ｂ）にその断面
図、図８（ｃ）にその上面図を示す。

【００４３】次に、図８（ｂ）において、金属を例え
ば、Ｃｒ，Ａｕの順にそれぞれ３ｎｍ，２００ｎｍ程度
蒸着し圧電体電極４３を形成する。電極材としては、Ｓ
ｉの異方性エッチングの際に腐食されないＡｇ，Ｐｄ，
Ｐｔ等でも良い。次に、圧電体例えばＡｌＮ，ＺｎＯ，
ＰＺＴ等をスパッタ蒸着し約１μｍ成膜しパターニング
して圧電体薄膜４２を形成した。次に、短冊状電極４６
の引出しのために、弾性薄膜４１をパターニングし、Ｐ
⁺拡散層４８のコンタクトホールを形成し、さらに電極
４３としてＡｕを２００ｎｍ蒸着しパターニングして、
電極４３及び４９を形成した。次に、プローブ４４をリ
ソグラフィーとリフトオフと蒸着により形成した。な
お、プローブ材料としては、ＷあるいはＰｔでもよい
し、これらの金属が表面に被覆された導電体であれば良
い。

【００４４】最後に、Ｓｉ₃Ｎ₄の弾性体薄膜４１をマス
クとしてＳｉの異方性エッチングＫＯＨ，ＮＨ₃ＯＨあ
るいはエチレンジアミン、ピカテコール系の水溶液で行
う。この際、電極４６のＰ⁺層がストッパーとなり静電
力の駆動間隔がこのエピタキシャル層４７の厚みで決定
される。異方性エッチングにより、最終的に図２で示さ
れるようなカンチレバー型プローブが得られた。本実施
例では、圧電体薄膜カンチレバーおよび静電アクチュエ
ータのサイズを以下のように設定すると、圧電体薄膜厚：１．０μｍ（ＺｎＯ）カンチレバー厚：１．８μｍカンチレバー長：２００μｍカンチレバー幅：５０μｍ静電アクチュエーターサイズ短冊状電極ピッチ：２μｍ絶縁体薄膜厚：０．４μｍ（Ｓｉ₃Ｎ₄）絶縁体−電極間幅：１．５μｍ以下のようなプローブの変位量が得られた。

【００４５】Ｙ軸変位量：±２０μｍ（±５０Ｖ），（固有振動数８ｋＨｚ）Ｚ軸変位量：± ３μｍ（±５Ｖ）このようにＺ軸には薄膜カンチレバーがユニモルフ構造
のために、絶対変位量は少しおちるけれども、カンチレ
バーの反りを除ける効果のほうが、大きい。また走査方
向のＹ軸のストロークは充分に大きくとれた。

【００４６】（実施例４）本実施例では、実施例３タイプのカンチレバー型プロー
ブの他の態様を示す。

【００４７】図９は、実施例３のカンチレバー型プロー
ブがＳｉ基板上に複数個内蔵されたものである。これも
前述実施例３と同様な製造法で作製した。尚、このＹ軸
駆動の短冊型電極４６は図１０の様に配置してある。こ
れは、Ｘ軸の方向の同一延長線上にある薄膜カンチレバ
ーが同一の短冊型電極で駆動できる。このカンチレバー
も実施例３で示したようなサイズでは、Ｘ，Ｙ軸のスト
ロークが同じだけ大きく取れる。

【００４８】以上の構成により、反りの少ない圧電薄膜
カンチレバーをもち、Ｙ軸のストロークの大きなカンチ
レバー型プローブを提供することが可能となる。

【００４９】（実施例５）本実施例では、実施例４のカンチレバー型プローブを用
いて情報の記録、再生等を行う情報処理装置について述
べる。本発明に係る装置の、情報の記録再生における模
式図の１例を図１１に示す。図１１（ａ）では、基板６
３上に、導電性有機材料からなる導電体薄膜６２を形成
した後、有機材料からなる記録層６３を積層して記録媒
体としている。本発明では、この記録媒体に、本発明に
係るカンチレバー端部に取り付けたプローブ電極６５を
接触させることにより、記録媒体の表面形状を変化させ
て記録ビット６４を形成し、情報の記録を行っている
（図１１（ｂ）参照）。

【００５０】また、このプローブ電極６５を記録媒体表
面上に走査させることにより、トンネル電流を利用して
表面形状の変化すなわち記録ビット６４を読み出して記
録再生の再生を行っている。本発明で用いる記録層６２
の材料としては、有機化合物であれば何を用いても構わ
ない。また、その成膜方法として、蒸着法、スパッタ法
あるいはプラズマ重合法、電解重合法等を用いるが可能
である。

【００５１】また、記録層の材料として、ＬＢ法により
単分子膜または単分子累積膜を形成することのできる有
機材料も好適である。このＬＢ法によれば、１分子中に
疎水性部位と親水性部位とを有する有機化合物の単分子
膜又はその累積膜を基板上に容易に形成することがで
き、分子オーダーの厚みを有し、かつ大面積にわたって
均一、均質な有機超薄膜を安定に供給することができる
ため、本発明のような高密度な情報の記録再生を行うた
めには、記録層の欠陥や記録層表面の凹凸を少なくしな
ければならず、この点からＬＢ法は記録層形成に非常に
適している。

【００５２】かかるＬＢ法は、分子内に親水性部位と疎
水性部位とを有する構造の分子において、両者のバラン
ス（両親媒性のバランス）が適度に保たれているとき、
分子は水面上で親水性基を下に向けて単分子の層になる
ことを利用して単分子膜、またはその累積膜を作製する
方法である。

【００５３】疎水性部位を構成する基としては、一般に
広く知られている飽和及び不飽和炭化水素基や縮合多環
芳香族及び、鎖状多環フェニル基等の各種疎水基が挙げ
られる。これらは各々単独又はその複数が組み合わされ
て疎水性部位を構成する。一方、親水性部位の構成要素
として最も代表的なものは、例えばカルボキシル基、エ
ステル基、酸アミド基、イミド基、ヒドロキシル基、さ
らには、アミノ基（１，２，３級及び４級）等の親水性
基等が挙げられる。これらも各々単独又はその複数が組
み合わされて上記分子の親水性部位を構成する。

【００５４】これらの疎水性基と親水性基をバランス良
く併有している有機分子であれば、水面上で単分子膜を
形成することが可能であり、本発明に対して極めて好適
な材料になる。

【００５５】また、導電体薄膜層６２の材料も高い導電
性を有するものであればよく、例えばＡｕ，Ｐｔ，Ａ
ｇ，Ｐｄ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｗ等の金属やこれ
らの合金、さらにはグラファイトやシリサイド，ＩＴＯ
などの導電性酸化物を始めとして数多くの材料が挙げら
れ、これらの本発明への適用が考えられる。かかる材料
を用いた電極形成法としても従来公知の薄膜技術で十分
である。但し、導電体薄膜層も記録媒体の１部として働
くため、欠陥が少なく表面の平滑性がよい薄膜を形成で
きる材料及び、薄膜形成法が選択される。尚、導電体薄
膜層の膜厚は記録層の材料及び膜厚にもよるが、安定な
情報の記録再生を行うためには、１０〜５０ｎｍ程度で
あることが好ましい。

【００５６】次に、本発明に係る装置を図１２のブロッ
ク図を用いて説明する。図１２中、７０５は記録媒体に
接触して記録を行ったり、トンネル電流を検知して記録
ビットを読み出すためのプローブ電極であり、７０４は
本実施例１２で示したカンチレバー型プローブの概略図
である。７０７は圧電効果にて駆動することができるＺ
方向微動制御機構であり、７０６は静電型アクチュエー
ターにより駆動できるＹ方向微動制御機構である。かか
るカンチレバー型プローブの駆動によりプローブ電極７
０５から記録媒体にアクセスすることによって情報の記
録再生を行う。

【００５７】対象となる記録媒体は、ＸＹステージ７１
２上に設置される。７１０はバイアス電圧源及びプロー
ブ電流増幅器で、７０９はプローブ電流を読み取り、プ
ローブ電極７０５の高さが一定になるように圧電体にか
ける電圧を制御する再生用サーボ回路である。７１１は
記録用電圧源及びサーボ回路である。７１１から記録用
の電圧がＺ方向微動制御機構７０７に出力され、プロー
ブ電極７０５を上下させて記録媒体に接触して記録を行
うようになっている。但し、この時プローブ電流をモニ
ターして、急激な電流増加、すなわちプローブ電極７０
５と導電体薄膜層７０２の接触を検知し、その後の記録
層７０１とプローブ電極７０５の接触量を制御するよう
にサーボ回路を設け、記録用の印加電圧を調整できるよ
うになっている。また、情報の記録時の接触量（Ｚ方向
押し込み量）は、記録層７０１と導電体薄膜層７０２の
膜厚及び希望する記録ビットの大きさによるが、数ｎｍ
〜５００ｎｍ程度が好ましい。

【００５８】尚、情報の記録時にプローブ電極７０５と
導電体薄膜層７０２が接触し、プローブ電流が急激に増
加するため、再生用サーボ回路７０９はその間出力電圧
が一定になるようにＨＯＬＤ回路をＯＮにするよう制御
している。７０８はＹ方向にプローブ電極７０５をＹ方
向微動制御機構７０６を用いて移動制御するためのＹ走
査駆動回路である。７１３と７１４は予め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７０５と
基板７０３とのＹ方向相対変位を多きくとる（微動制御
機構の範囲外）のに用いられる。これらの各機器は、全
てマイクロコンピューター７１５により中央制御されて
いる。また７１６は表示装置を表している。

【００５９】本発明の実施例４で説明した微小変位素子
を用いた移動制御における機械的性能を下記に示す。

【００６０】Ｚ方向微動制御範囲：０．１ｎｍ〜５μｍＹ方向微動制御範囲：１ｎｍ〜２０μｍＸ方向微動制御範囲：１ｎｍ〜１００μｍなお、Ｘ方向はＸＹステージの駆動による。

【００６１】また、用いた記録再生装置の移動制御にお
ける機械的性能は、ＸＹ方向粗動制御範囲：１０ｎｍ〜１０ｍｍＺ方向粗動制御範囲：１０ｎｍ〜１０ｍｍ以下、説明した装置を用いての、記録再生の実験につい
て述べる。記録層７０１としてポリイミドＬＢ膜を４層
（約１．５ｎｍ）成膜したものを用いた。これを、本装
置にセットした。次に、プローブ電極７０５と記録媒体
との間に１．５Ｖのバイアス電圧を印加し、プローブ電
極７０５と導電体薄膜層７０２との距離（Ｚ）を調整し
た。この時、距離Ｚを制御するためのプローブ電流Ｉ_P
を１０^-8Ａ≧Ｉ_P≧１０^-10Ａになるように設定した。

【００６２】次に、ＸＹ方向の位置を固定したまま、プ
ローブ電極７０５のＺ方向微動制御機構７０７のカンチ
レバーの圧電体に記録用電圧を印加することにより、プ
ローブ電極７０５を上下させ、プローブ電極７０５を記
録媒体に接触させることにより、記録媒体の表面形状を
変化させて記録を行った。但し、この時プローブ電極７
０５と記録媒体の接触量を１５ｎｍに調整した。また、
再生用サーボ回路７０９はその間出力電圧が一定になる
ようにＨＯＬＤ回路をＯＮするよう制御している。

【００６３】次に、プローブ電極７０５と記録媒体との
間に電圧を印加しながらトンネル電流を観測し、距離Ｚ
を一定に保ちながら、先ほど記録した場所にプローブ電
極７０５をＸＹ方向に走査させたところ、記録媒体の表
面形状の変化が確認でき、記録ビットを再生することが
可能であった。

【００６４】尚、本発明のカンチレバー型プローブを用
いた場合、Ｙ方向の走査範囲を非常に大きく取れるの
で、この記録ビットを大量に記録再生できることは言う
までもない。

【００６５】（実施例６）本実施例では、前述した情報処理装置を使って、ＳＴＭ
として実験を行った結果について述べる。

【００６６】実施例５で述べた記録媒体を被観察物とし
て走査し、プローブ電極７０５と被観察物との間に電圧
を印加し、トンネル電流値の結果を出力するとＳＴＭ像
が得られる。本実施例では被観察物としてＳｉ基板（１
００）を用いて、ＳＴＭ像を得たところ、Ｓｉ基板の広
範囲にわたって像を原子オーダーで観察でき、さらに安
定な像が得られた。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば以
下のような効果がある。

【００６８】静電効果にて複数のカンチレバーの反り量
を独立に位置補正する機構と位置補正用の平行平面導体
とを具備したマルチプローブユニットにおいては、（１）操作性，安定性，耐久性の高いＳＴＭを応用した
情報処理装置が作製できる。（２）カンチレバー一本一本の反りも静電効果により補
償することができるので、素子の歩留りも向上するとと
もに、より制御性の高いトンネル電流検知が行える。（３）これにより、ＳＴＭを応用した情報処理装置にお
いては、超高密度な記録，再生ができるとともに、信頼
性の高い装置を供給できるようになった。

【００６９】さらに、短冊状電極を有したカンチレバー
型プローブ及びそれを用いた情報処理装置等によれば、（４）カンチレバーのＹ軸のストローク量を大きくす
る。（５）圧電体薄膜カンチレバーの反り量を少なくする。（６）情報処理装置においては、広範囲に記録媒体に情
報を記録することができる。といったような効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るカンチレバー型プローブを同一基
板上に複数配列したマルチプローブユニットの斜視図及
びその一部断面図である。

【図２】本発明に係る短冊状電極を有したカンチレバー
型プローブの斜視図及びその断面図である。

【図３】実施例１に係るマルチプローブユニットの構成
図である。

【図４】実施例１に係るマルチプローブユニットの構成
図である。

【図５】実施例１に係る位置補正のブロック図である。

【図６】実施例２に係るマルチプローブユニットを用い
た、情報処理装置の構成図である。

【図７】実施例３に係るカンチレバーの駆動原理説明図
である。

【図８】実施例３に係るカンチレバー型プローブの製造
工程図を示す。

【図９】実施例４に係るマルチプローブユニットの外観
斜視図である。

【図１０】実施例４に係るマルチプローブユニットの、
短冊状電極を示した構成斜視図である。

【図１１】情報処理装置における、記録媒体への情報の
記録あるいは再生方法を説明するための模式図である。

【図１２】実施例５に係る情報処理装置の構成を示すブ
ロック図である。

【図１３】従来のカンチレバー型プローブを示す。

【図１４】従来のカンチレバー型プローブの駆動状態を
示す図である。

【符号の説明】

２プローブ（探針）２８Ｓｉ基板２９電極３０誘電体３１圧電体３２ガラス基板３３，３４電極３５導電体４１弾性薄膜４２圧電体薄膜４３電極４４プローブ４５Ｓｉ基板４６短冊状電極４７ｎ−Ｓｉ層４８Ｐ⁺層４９電極５１，５２絶縁体６１記録層６２導電体薄膜６３基板６４記録ビット６５プローブ７１圧電体７２電極７３プローブ６０１基板６０２金属電極層６０３記録層６０４ＸＹステージ６０５マルチプローブユニット６０６支持体６０７Ｚ軸方向駆動リニアアクチュエーター６０８Ｘ軸方向駆動リニアアクチュエーター６０９Ｙ軸方向駆動リニアアクチュエーター６１０バイアス回路６１１トンネル電流検出器６１２サーボ回路６１３アクチュエーター６１４サーボ回路６１５ＸＹステージ駆動回路６１６コンピュータ７０１記録層７０２導電体薄膜７０３基板７０４カンチレバー型プローブ７０５プローブ電極７０６Ｙ方向微動制御機構７０７Ｚ方向微動制御機構７０８Ｙ走査駆動回路７０９再生用サーボ回路７１０バイアス電圧源及びプローブ電流増幅器７１１記録用電圧源及びサーボ回路７１２ＸＹステージ７１３粗動機構７１４粗動駆動回路７１５マイクロコンピュータ７１６表示装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川瀬俊光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)発明者高松修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 (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 (72)発明者中山優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)参考文献特開昭63−309802（ＪＰ，Ａ) 特開平２−38904（ＪＰ，Ａ) 国際公開89／7258（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 7/00 - 7/34 G01B 21/00 - 21/32 G11B 9/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体効果にて変位するカンチレバー型
プローブを同一面内に複数設け、該複数のカンチレバー
の各々に対して、その反り量を静電効果により独立に位
置補正する機構を設けたことを特徴とするマルチプロー
ブユニット。
【請求項２】前記カンチレバー各々の反り量を静電効
果により位置補正する際の電圧を、独立にホールドする
手段を具備することを特徴とする請求項１記載のマルチ
プローブユニット。
【請求項３】請求項１又は２のいずれか一項に記載の
マルチプローブユニットを、少なくとも有することを特
徴とする情報処理装置。
【請求項４】請求項１又は２のいずれか一項に記載の
マルチプローブユニットを、少なくとも有することを特
徴とする走査型トンネル顕微鏡。
【請求項５】圧電体効果にて変位するカンチレバー型
プローブをＳｉ基板上に形成される複数の短冊状電極上
方に保持し、前記短冊状電極に電圧を加える手段によ
り、静電効果にて前記カンチレバーを、その幅方向に駆
動し得るものであることを特徴とするカンチレバー型プ
ローブ。
【請求項６】プローブが、圧電体への電圧印加により
カンチレバーの厚さ方向に変位する手段と、静電効果に
てカンチレバーの幅方向に固有振動する手段を具備した
ことを特徴とするカンチレバー型プローブ。
【請求項７】請求項５又は６のいずれか一項に記載の
カンチレバー型プローブを、少なくとも有することを特
徴とする情報処理装置。