JP3044424B2 - 情報処理装置及び微小ティップの製造方法 - Google Patents

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
（以下、「ＳＴＭ」と記す）又はその原理を応用して情
報の記録及び再生等を行う情報処理装置に関するもので
ある。また本発明はＳＴＭ又はＳＴＭを応用した情報処
理装置、或いは微小な力を検出する原子間力顕微鏡（以
下「ＡＦＭ」と記す）等に用いる微小ティップの製造方
法に関するものである。

【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が開発され
（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅ
ｖ．Ｌｅｔｔ．４９（１９８２）５７）、単結晶、非結
晶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。係るＳＴＭは、金属
のティップ（探針）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、その間にトンネル電
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且つ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ティップを走査すること
により実空間の表面構造を原子オーダーの分解能で観察
することができる。このＳＴＭを用いた解析は導電性材
料に限られるが、導電性材料の表面に薄く形成された絶
縁膜の構造解析にも応用され始めている。更に、上述の
装置、手段は微小電流を検知する方法を用いているた
め、媒体に損傷を与えず、且つ低電力で観測できる利点
をも有する。また、大気中での動作も可能で有るためＳ
ＴＭの広範囲な応用が期待されている。

【０００３】現在、ＳＴＭの手法を用いて、半導体或い
は高分子材料等の原子オーダー、分子オーダーの観察評
価、微細加工（Ｅ．Ｅ．Ｅｈｒｉｃｈｓ，Ｐｒｏｃｅｅ
ｄｉｎｇｓ ｏｆ ４ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ
ｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔ
ｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ／Ｓｐｅｃｔ
ｒｏｓｃｏｐｙ，’８９，Ｓ１３−３）、及び記録装置
等の様々な分野への応用が研究されているが、中でも、
コンピュータの計算情報や映像情報等では大容量を有す
る記録装置の要求が益々高まっており、更に、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ことから記録装置の小型化が望
まれている。

【０００４】これらの要求を満たす目的で、記録媒体と
の間隔が微調整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から電圧印加すること
によって記録媒体表面の形状を変化させ、記録書き込み
し、また、形状の変化によるトンネル電流の変化を検知
して、情報の読み出しを行う、最小記録面積が１０^-4μ
ｍ² となる記録再生装置が提案されている。

【０００５】記録再生装置に用いられるＳＴＭプローブ
としては、例えばスタンフォード大学のクウェートらに
より提案された微小変位素子を用いたＳＴＭプローブ
（ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｅｃｈ
ａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ｐｐ．１８８−１９
９，Ｆｅｂ．１９９０）がある。これは既存のフォトリ
ソグラフの手法及び成膜技術、エッチング技術を用いて
シリコン基板に形成された開口部上に電極と圧電体の薄
膜を積層したバイモルフのカンチレバーを形成したもの
であり、このカンチレバーの上面自由端部にトンネル電
流検知用の微小ティップを取り付け、良好なＳＴＭ像を
得ている。

【０００６】トンネル電流検知用の微小ティップ作製方
法としては、例えば基板上の薄膜層を円形にパターニン
グし、それをマスクにして基板材料をエッチングし、サ
イドエッチングを利用してプローブを形成する方法があ
る（図７（ａ）参照）。また、逆テーパーをつけたレジ
スト開口部に基板を回転させながら導電性材料を斜めか
ら蒸着し、リフトオフすることによりティップを形成す
る方法がある（図７（ｂ）参照）。以上の方法はティッ
プの方向が基板表面に垂直且つ基板の外側方向である。
しかしながら、これらの従来方法においては、ティップ
を形成する際のレジストのパターニング条件や、材料の
エッチング条件を一定にするのが困難であり、形成され
る微小ティップの高さや先端曲率半径等の正確な形状を
維持するのが困難であった。

【０００７】そこで、形状の一様な微小ティップを形成
する方法として単結晶基板の表面に結晶軸異方性エッチ
ングにより凹部を形成し、該凹部に導電性材料を堆積さ
せることにより該微小ティップを形成する方法がある。
この方法は異方性エッチングのマスク形状で形成される
微小ティップの高さや先端曲率半径等を均一に作製する
ことができ、複数のＳＴＭプローブを用いて情報の高速
処理をするために優れた方法である。

【０００８】また、ＳＴＭの応用例の１つとして超高密
度記録・再生装置があるが、高い記録密度を達成するた
めに先端部の曲率半径が小さいことが要求されている。
と同時に、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（テ
ィップのマルチ化）が提案され、このために同一基板上
に作製された特性のそろったティップが求められてい
る。

【０００９】また原子間力顕微鏡によれば物質の表面に
働く斥力、引力を検知するため、導体、絶縁体を問わず
試料表面の凹凸像が測定できる。この原子間力顕微鏡に
は片持ち梁状のカンチレバーの自由端に微小ティップを
形成したものが用いられておりＳＴＭと同様に先端部の
曲率半径が小さいことが要求されている。

【００１０】従来、上記のような微小ティップの形成方
法として、半導体製造プロセス技術を使いシリコンの異
方性、等方性エッチングにより形成した微小ティップが
記載されている（特開平３−１３５７０２号公報）。こ
の微小ティップの形成方法は、先ず単結晶シリコンを用
いて異方性または等方性エッチングによりトレンチを設
け、このトレンチをティップの雌型とし、次に全面にＳ
ｉＯ₂ ，Ｃ，ＳｉＮ，ＳｉＣなどを被覆し、片持ち梁状
にパターン化した後、カンチレバー下のシリコンをエッ
チング除去することにより上述した材料からなるカンチ
レバーティップを得ている（図１３参照）。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、異方性
エッチングにより微小ティップを形成する方法において
は、ティップの方向が基板表面に垂直且つ基板の内側方
向であり、ティップ先端を記録媒体に接近させるのが困
難であった。

【００１２】そこで本発明の第１の目的は、基板表面に
垂直且つ基板の内側を向いたティップ先端を記録媒体に
容易に接近させることが可能な情報処理装置を提供する
ことにある。

【００１３】また上記特開平３−１３５７０２号公報に
開示された製造方法では以下のような問題点が有った。 カンチレバーティップの雌型となったシリコン基板
は、後工程でエッチング除去されてしまうため生産性が
低く、製造コストが高くなるという問題があった。 カンチレバーティップ上に導電性材料を被覆してＳＴ
Ｍのティップとする場合には、ティップの最先端部は鋭
利に形成されているため被覆されにくく、トンネル電流
という微弱な電流を取り扱うＳＴＭでは安定な特性を得
ることは難しいという問題が有った。

【００１４】即ち、本発明の第２の目的は、上記従来例
の問題点に鑑みなされたものであって、生産性を向上さ
せ、製造コストを低減させるものであり、更に酸化しに
くい金属系材料を用いるため微小ティップとして再現性
の良い安定な特性が得られ、且つ先端が鋭利に形成でき
ティップのマルチ化も容易である微小ティップの製造方
法を提供するものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明の第１
は、半導体基板表面に設けられた開口部に先端部分の変
位手段を有するカンチレバーを配し、該カンチレバー先
端部分の基板裏面側に情報入出力用微小ティップを設け
てなるプローブユニットと、基板表面に記録層を有する
凸部を設けて記録エリアとし、上記微小ティップが該記
録エリアに近接するように上記プローブユニットに対向
配置してなる記録媒体と、プローブユニットを変位させ
るための駆動手段、該駆動手段を制御するための制御手
段、微小ティップと記録エリアとの距離を調整する手
段、及びプローブと記録媒体の間に電圧を印加する手段
を備えたことを特徴とする情報処理装置である。本発明
においては、上記半導体基板が単結晶基板であり、該基
板表面に結晶軸異方性エッチングにより凹部を形成し、
該凹部に導電性材料を堆積させることにより微小ティッ
プが形成されていることが望ましい。また、上記電圧印
加手段が、パルス電圧及び／又はバイアス電圧印加手段
であり、制御手段が記録媒体とプローブとの間に流れる
トンネル電流の検出結果に基づき、カンチレバーを変位
させるためのバイアス電圧を変化させ、その信号をカン
チレバーを構成する電極に付与するものであることが望
ましい。

【００１６】本発明の第２は、第１基板の表面に凹部を
形成する工程と、該凹部を含む第１基板表面に剥離層を
形成する工程、第２基板表面に凸部を形成する工程、第
１基板の凹部と第２基板の凸部を位置合わせしてからプ
レスして凹部の底部形状を凸部上部に転写する工程を少
なくとも有することを特徴とする微小ティップの製造方
法である。本発明においては、第１基板の表面に凹部を
形成する工程が、単結晶基板を用い、結晶軸異方性エッ
チングで加工することが望ましく、また、第２基板の凸
部が貴金属又は貴金属合金であることが望ましい。

【００１７】以下、本発明を詳細に説明する。

【００１８】先ず、本発明の第１の情報処理装置のプロ
ーブユニットについて説明する。図２は、本発明に係る
カンチレバー型プローブの斜視図である。本発明におい
てカンチレバー型プローブは、単結晶基板に形成された
開口部上に圧電体バイモルフ或いは圧電体ユニモルフ又
はその他の駆動手段を持つカンチレバー（片持ち梁）が
配置され、その先端部にトンネル電流用ティップ１０が
作製されている。トンネル電流用ティップは、媒体との
距離を接近させることによって流れるトンネル電流によ
って情報の入出力を行う。

【００１９】本発明に用いるプローブユニットの作製工
程例を、図３を用いて説明する。シリコン（１００）基
板１に、マスク層５、６を成膜し、基板表面のマスク層
５を円形或いは正方形にパターニングしてエッチング開
口部７を形成した後、結晶異方性エッチングにてシリコ
ン部分をピラミッド形状にエッチングして基板凹部８を
形成する（図３（ａ）参照）。次に、基板表面のマスク
層を除去し、再び同様のマスク層５’を成膜した後、導
電性材料を成膜して下電極４ａ、トンネル電流用ティッ
プ１０及びトンネル電流用配線１１となる部分を形成す
る（図３（ｂ）参照）。次に、圧電体３と電極４よりな
る駆動部分を形成する（図３（ｃ）参照）。更に、基板
裏面マスク層６にバックエッチング開口部９を形成し、
表面シールした後、結晶異方性エッチングにてシリコン
基板１をエッチングし、表面マスク層５のメンブレンを
形成する。最後に、基板表面マスク層５を基板裏面から
エッチングし、カンチレバー２形状とする（図３（ｄ）
参照）。

【００２０】アルカリ性エッチング液による単結晶シリ
コンの結晶軸異方性エッチングは、シリコン（１１１）
面のエッチングレートがほとんど０であるため、この方
法で形成された凹部はシリコン（１１１）等価面で囲ま
れたピラミッド形状をしており、その深さはエッチング
マスクの形状及び大きさで一義的に決まる。また、先端
の角度はマスク形状によらず一様である。このため、基
板上に複数のティップを形成する場合、その形状を一様
にすることができる。

【００２１】駆動のための構造は、１層の圧電体層とそ
れをはさむ２層の電極及び支持体層よりなるユニモルフ
構造、或いは２層の圧電体層とそれをはさむ３層の電極
よりなるバイモルフ構造、また、静電気力により駆動す
るための電極を有する構造などが考えられる。これらの
製造方法には既知のフォトリソグラフィー技術、真空蒸
着法やスパッタリング法等の成膜技術が用いられ、その
方法は本発明を制約するものではない。

【００２２】本発明のプローブユニットは、更に半導体
プロセスと一体化して同一基板上にトンネル電流用のテ
ィップ付きカンチレバーのみならず、トンネル電流を増
幅処理するアンプ、カンチレバー駆動とトンネル電流の
選択のためのマルチプレクサ、シフトレジスタ、等を積
載している。

【００２３】次に、本発明に用いる記録媒体について説
明する。本発明において記録媒体は、記録媒体基板１４
上に作製された記録エリア、記録エリア上の記録媒体１
２、記録媒体１２とティップ１０との間に電圧を印加す
るための下地電極１３と、その配線電極１５及びボンデ
ィングパッド５３からなる記録媒体ユニットとして用い
る。記録エリアは、基板を加工して作製された凸部５１
上に配置されている。

【００２４】本発明による記録媒体ユニットの製造工程
断面図を図４に示す。先ず、半導体基板の表面にエッチ
ングマスク層５４を形成する。次に、マスク層５４をパ
ターニングして記録エリア以外の部分をエッチングし、
凸部５１を形成する。この場合、エッチング形状の制御
が容易な結晶異方性エッチングが有利である。更に、記
録媒体１２に電位を加えるための下地電極１３及びその
配線電極１５を形成する。段差部分を含んだ基板の配線
方法は、基板上に電極パターン形状の穴をあけたメタル
マスクを所定の位置に配置し、真空蒸着法にて電極材料
を成膜することにより形成する。最後に、記録媒体材料
１２を成膜する。

【００２５】記録媒体１２は、トンネル電流用ティップ
１０から発生するトンネル電流により記録媒体表面の形
状を凸型（Ｓｔａｕｆｅｒ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ，５１（４），２７，Ｊｕｌｙ，１９８７，
ｐ２４４参照）又は凹型（Ｈｅｉｎｚｅｌｍａｎｎ，Ａ
ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５３，Ｎ
ｏ．２４Ｄｅｃ．，１９８８．ｐ２４４７参照）に変形
することが可能な金属、半導体、酸化物、有機薄膜、あ
るいは前記トンネル電流により電気的性質が変化（例え
ば電気的メモリー効果を生ずる）する有機薄膜等よりな
る。前記電気特性が変化する有機薄膜としては、特開昭
６３−１６１５５２号公報に記載された材料が使用さ
れ、ラングミュア・ブロジェット膜よりなるものが好ま
しい。

【００２６】次に本発明第２の微小ティップの製造方法
について説明する。図１０はその主要工程を示す断面図
である。

【００２７】図１中、１０１は第１の基板であり、具体
的には単結晶シリコン、ＧａＡｓ半導体等の結晶軸異方
性エッチング可能な材料を用いることが好ましい。

【００２８】続いて、第１基板１０１上に保護層１０２
を形成する。該保護層１０２は後工程で該第１基板１０
１を異方性エッチングする時の保護層であるから、この
時のエッチング液に耐えるものならば良い。続いて該保
護層１０２の所望の場所をフォトエッチングにより除去
し第１基板表面を露出させる。続いて第１基板を異方性
エッチングにより加工し、底部が一点となるような凹部
１０３を形成する。好ましくは結晶軸異方性エッチング
により逆ピラミッド状に形成する。続いて保護層１０２
をエッチングにより除去する。

【００２９】次に図１０（ｂ）に示すように、凹部１０
３を含む第１基板１０１上に剥離層１０４を形成する。
該剥離層１０４は後工程のプレス後に第１基板の凹部と
第２基板の凸部の剥離に用いられるものであるため、凸
部を形成する材料と反応しなければ良い。

【００３０】次に図１０（ｃ）に示すように、第２基板
１０６上に取り出し電極１０７をパターン化して形成す
る。更に、凸部１０５を取り出し電極上にパターン化し
て形成する。凸部１０５は、後工程で微小ティップとな
るため導電性の高い金属系材料が必要であり、好ましく
は貴金属又は貴金属合金が良い。

【００３１】次に図１０（ｄ）に示すように、第２基板
１０６上に形成した凸部１０５と第１基板１０１上に形
成した凹部１０３とを位置合わせしプレスを行い、凹部
１０３の底部形状を凸部１０５の上部形状に転写する。

【００３２】次に図１０（ｅ）に示すように、第１基板
１０１と第２基板１０６を離すことにより凸部を成型し
た微小ティップが製造できる。

【００３３】尚、保護層１０２、凹部１０３、剥離層１
０４、凸部１０５、取り出し電極１０７の形成方法とし
ては、従来公知の技術、例えば半導体産業で一般に用い
られている真空蒸着法やスパッタ法、化学気相成長法、
メッキ等の薄膜作製技術やフォトリソグラフ技術及びエ
ッチング技術を適用することができ、その作製方法は本
発明を制限するものではない。

【００３４】

【実施例】

（実施例１）本実施例で示すものは、本発明第１の情報
処理装置である。先ず、プローブユニットについて説明
する。

【００３５】図２に本実施例に用いるプローブユニット
の斜視図を示す。本実施例のプローブユニットは、シリ
コン基板に形成された開口部上に圧電体としてＺｎＯ
（酸化亜鉛）を用いたバイモルフ駆動カンチレバー２が
配置され、その先端部にトンネル電流用ティップ１０が
作製されている。また図示していないが、シリコン基板
上に圧電体バイモルフの駆動用回路及びトンネル電流の
信号処理回路等のＩＣが搭載されている。

【００３６】圧電体バイモルフは、圧電体層３に電圧を
印加するための電極４が積層されている。この構成によ
り圧電素子としてカンチレバー２を動作させ、トンネル
電流用ティップ１０を操作することができる。

【００３７】本実施例におけるプローブユニットの作製
工程を、図３を用いて説明する。先ず、（１００）面が
主面の単結晶ｎ型シリコン基板１に、マスク層５、６と
なる窒化シリコンをＣＶＤ法にて５００Å成膜し、カン
チレバー先端に相当する部分に直径８μｍの円形開口部
７をパターニングした後、基板表面の窒化シリコン膜５
をＣＦ₄ ガスを用いたドライエッチングによりエッチン
グし、８０℃に加熱した水酸化カリウム水溶液にて基板
１をエッチングした。この結果、深さ５．６μｍのピラ
ミッド型凹部８が形成された（図３（ａ）参照）。

【００３８】次に、基板表面の窒化シリコン膜５をＣＦ
₄ ガスを用いたドライエッチングにより除去し、再び窒
化シリコン５’をＣＶＤ法にて成膜した後、下電極４
ａ、トンネル電流用ティップ１０及びトンネル電流用配
線１１となる部分をパターニングし、スパッタリング法
によりプラチナを１０００Å成膜した後リフトオフした
（図３（ｂ）参照）。

【００３９】次に、駆動部分となる圧電体（ＺｎＯ）バ
イモルフを形成した。第１に、１層目の圧電体層３ａを
形成した。第２に、中電極層４ｂを形成した。第３に、
２層目の圧電体層３ｂを形成した。第４に、上電極層４
ｃを形成した。中電極４ｂ及び上電極４ｃは下電極４ａ
と同様の方法で作製した。ＺｎＯの成膜はＲＦスパッタ
リング装置を用いる。ターゲットはＺｎＯ、雰囲気はＯ
₂ とＡｒの混合ガスであり、Ｏ₂ とＡｒのガス圧比は
１：１、Ｏ₂ ＋Ａｒガス全圧は、１２ｍＴｏｒｒであ
る。この方法によりＺｎＯを１００００Å成膜した後、
レジストを用いた通常のフォトリソグラフ技術を用いて
パターニングし、水酸化アンモニウムと過酸化水素の水
溶液にてエッチングして形成した（図３（ｃ）参照）。

【００４０】更に、基板裏面の窒化シリコン膜６をＣＦ
₄ ガスを用いたドライエッチングによりバックエッチン
グして開口部９を形成し、表面をシールした後８０℃に
加熱した水酸化カリウム水溶液にて基板１をエッチング
した。

【００４１】最後に、基板表面の窒化シリコン膜５をＣ
Ｆ₄ ガスを用いたドライエッチングにより基板裏面から
エッチングし、カンチレバー２とした（図３（ｄ）参
照）。

【００４２】作製されたカンチレバーの長さは１０００
μｍ、基板表面開口部の大きさは２０００μｍ×２００
０μｍであり、各開口部は基板上に４ｍｍピッチで２×
２個マトリックス配置され、それぞれの開口部にはそれ
ぞれ１つのカンチレバーが配置されている。

【００４３】次に、実施例の記録媒体ユニットについて
説明する。本実施例の記録媒体ユニットは、基板１４上
に作製された記録エリア、記録エリア上の記録エリア上
の記録媒体１２、記録媒体１２とティップ１０との間に
電圧を印加するための下地電極１３と、その配線電極１
５及びボンディングパッド５３からなる。記録エリア
は、基板１４を加工して作製された凸部５１上に配置さ
れている。

【００４４】本発明による記録媒体ユニットの作製方法
を図４に示す。先ず、（１００）面が主面の単結晶シリ
コン基板１４の両面にＬＰＣＶＤ法にて窒化シリコンの
エッチングマスク層５４を２０００Å成膜した（図４
（ａ）参照）。次に、表面のマスク層５４をパターニン
グして記録エリア以外の部分を８０℃に加熱した３０％
の水酸化カリウム水溶液でエッチングし、基板表面との
段差が２００μｍの凸部５１を形成した（図４（ｂ）参
照）。この方法により記録エリアと基板表面を基板面と
の角度が５４．７°の斜面５２で結ぶことができる。１
つの記録媒体エリアは１０００μｍ×１０００μｍであ
り、各記録媒体エリアは基板１４上に４ｍｍピッチで２
×２個マトリックス配置した。

【００４５】次に、マスク層をＣＦ₄ を用いたＲＩＥに
よりエッチング除去した後、フッ酸と硝酸の水溶液にて
基板を１μｍエッチングし、記録エリアと段差部とのエ
ッジ部分の角を丸くした。次に再び基板の両面にＬＰＣ
ＶＤ法にて窒化シリコンのエッチングマスク層５４を２
０００Å成膜した。更に、記録媒体１２に電位を加える
ための下地電極１３とその配線電極１５及びそのボンデ
ィングパッド５３を形成した（図４（ｃ）参照）。段差
部分を含んだ基板の配線方法は、基板１４上に電極パタ
ーン形状の穴をあけたメタルマスクを所定の位置に配置
し、真空蒸着法にてＣｒを２０Å、Ａｕを１０００Å成
膜することにより形成した。最後に、ＬＢ法によって記
録媒体材料１２であるＳＯＡＺ（スクアリリウム−ビス
−６−オクチルアズレン）を４層積層した（図４（ｄ）
参照）。

【００４６】本実施例の情報処理装置は、上記の説明に
よるプローブユニット及び記録媒体ユニットを有する。
図１は、本発明によるカンチレバー型プローブ２及び記
録媒体１２の断面図である。図のようにカンチレバー先
端の微小ティップ１０は基板内側方向を向いているが、
記録媒体を有する基板１４に段差を設けることによっ
て、複数のカンチレバー型プローブ２及びそれに対応す
る記録媒体１２を互いに容易に接近させることができ
る。

【００４７】図５に本実施例のプローブユニット及び記
録媒体ユニットの斜視図を示す。簡明のため、記録媒体
１２を省略した。また、図６に本実施例の主要部構成及
びブロック図を示す。本図に基づいて説明すると、記録
再生ヘッド上には、本発明によるカンチレバー型プロー
ブ２が複数配置されている。これらのプローブのそれぞ
れのティップ１０は、一様に記録媒体１２と対向する様
に配置してある。１３は媒体とティップとの間に電圧を
印加するための下地電極、１４は記録媒体基板である。

【００４８】１６は記録すべきデータを記録に適した信
号に変調するデータ変調回路、１７はデータ変調回路で
変調された信号を記録媒体１２とプローブ１０の間に電
圧を印加することで記録媒体１２上に記録するための記
録電圧印加装置である。プローブ１０を記録媒体１２に
所定間隔まで近づけ記録電圧印加装置１７によって例え
ば３Ｖ、幅５０ｎｓの矩形状パルス電圧を印加すると、
記録媒体１２が特性変化を起こし電気抵抗の低い部分が
生じる。Ｘ−Ｙステージ１８を用いて、この操作をプロ
ーブ１０で記録媒体１２面上で走査しながら行うことに
よって情報の記録がなされる。図では示していないが、
Ｘ−Ｙステージ１８による走査の機構としては、円筒型
ピエゾアクチュエータ、平行ばね、差動マイクロメータ
ー、ボイスコイル、インチウオーム等の制御機構を用い
て行う。

【００４９】１９はティップ１０と記録媒体１２との間
に電圧を印加して両者間に流れるトンネル電流を検出す
る記録信号検出回路、２０は記録信号検出回路１９の検
出したトンネル電流信号を復調するデータ復調回路であ
る。再生時にはティップ１０と記録媒体１２とを所定間
隔にし記録電圧より低い、例えば２００ｍＶの直流電圧
をティップ１０と記録媒体１２間に加える。この状態で
記録媒体１２上の記録データ列に沿ってティップ１５に
て走査中に記録信号検出回路１９を用いて検出されるト
ンネル電流信号が記録データ信号に対応する。従って、
この検出したトンネル電流信号を電流電圧変換して出力
してデータ復調回路２０で復調することにより再生デー
タ信号を得られる。

【００５０】２１はプローブ高さ検出回路である。この
プローブ高さ検出回路２１は記録信号検出回路１９の検
出信号を受け、情報ビットの有無による高周波の振動成
分をカットして残った信号を処理し、この残りの信号値
が一定になる様にプローブ１５を上下動制御させるため
にｘ，ｚ軸駆動制御回路２２に命令信号を発信する。こ
れによりティップ１０と媒体１２との間隔が略一定に保
たれる。

【００５１】２３はトラック検出回路である。トラック
検出回路２３はプローブ１０で記録媒体１２上を走査す
る際にプローブ１０のデータがこれに沿って記録される
べき経路、或いは記録されたデータ列（以下これらをト
ラックと称する）からのずれを検出する回路である。

【００５２】以上のデータ変調回路１６、記録電圧印加
装置１７、記録信号検出回路１９、データ復調回路２
０、プローブ高さ検出回路２１、ｘ，ｚ軸駆動制御回路
２２、トラック検出回路２３で記録再生用回路２４を形
成する。

【００５３】記録再生ヘッドにおいては、記録再生用回
路２４が記録媒体に対向する複数のプローブ及びその駆
動機構それぞれに１つずつ設けられており、各プローブ
による記録、再生、各プローブの変位制御（トラッキン
グ、間隔調整等）等の要素を独立して行っている。

【００５４】上述した実施例は記録再生を行うが、記録
又は再生のみの装置、又は走査型トンネル電流検知装置
であっても本発明が適用可能であることは言うまでもな
い。

【００５５】（実施例２）本実施例は本発明の情報処理
装置のまた別の態様を示したものである。プローブユニ
ット及びブロック図は実施例１と同様である。本実施例
において実施例１と異なるところは、記録媒体ユニット
の下地電極としてＡｕの単結晶群を利用したことであ
る。

【００５６】本実施例の記録媒体ユニットの作製方法を
図８に示す。先ず、単結晶シリコン（１００）面基板の
両面にＬＰＣＶＤ法にて窒化シリコンのエッチングマス
ク層５４を２０００Å成膜した。次に、表面のマスク層
５４をパターニングして記録エリア以外の部分を８０℃
に加熱した３０％の水酸化カリウム水溶液でエッチング
し、２００μｍの段差を持った凸部５１を形成した。次
に基板の両面に熱酸化膜５０００Å厚を形成した後、Ｅ
Ｂ蒸着法によりＴｉ膜１０００Å厚を形成した。このＴ
ｉ上にスプレーによりレジストを塗布して、露光、現像
を行いＴｉ膜をフッ酸と硝酸の水溶液でパターニング
し、レジスト層を剥離した。パターンは下地電極１３と
その配線電極１５及びそのボンディングパッド５３であ
る。下地電極１３は１０００×１０００μｍ角であり、
４ｍｍ間隔のマトリックス状とした。

【００５７】更に、蒸留水５００ｍｌにヨウ化カリウム
４０ｇ及びヨウ素６ｇを投入して撹拌溶解させた。この
溶液に金を３ｇ投入して撹拌溶解させた。溶解後、この
溶液から１００ｍｌ分取して反応容器に入れ、ここに更
に蒸留水を５００ｇ加えて撹拌し結晶成長用溶液とし
た。

【００５８】作製した第２基板１４の表面を結晶成長用
溶液に接し、次いで、溶液を８０℃に加熱して放置し
た。１時間後基板を取り出し観察したところ、Ｔｉ上に
（１１１）面を有する金の単結晶群５６が形成されてい
た。各単結晶間には粒界が形成されていた。単結晶の平
均粒径は約２μｍであった。膜の厚さは約１００ｎｍで
あった。ＳＴＭで観察した結果、個々の単結晶の凹凸
は、１μｍ角内で５Åであった。核形成密度の低いＳｉ
Ｏ₂ 面上には、核の発生は認められなかった。

【００５９】最後に、ＬＢ法によって記録媒体１２であ
るＳＯＡＺ（スクアリリウム−ビス−６−オクチルアズ
レン）を４層積層した。

【００６０】（実施例３）本実施例は本発明の情報処理
装置のまた別の態様を示したものである。プローブユニ
ット及びブロック図は実施例１と同様である。本実施例
において実施例１と異なるところは、半導体基板と記録
媒体基板の位置検知のための静電容量センサーを設けた
ことである。

【００６１】本実施例の静電容量センサーの断面図を図
９に示す。本実施例では、半導体基板のカンチレバー型
プローブのための開口部及び記録媒体基板の記録エリア
のための凸部を作製する方法を用いて、それぞれの基板
に静電容量センサーを設けた。

【００６２】半導体基板の静電センサー作製方法は、図
３に示す実施例１のプローブユニット作製において、下
電極を形成する際に静電容量検出用電極５７及びその配
線を同様の手法を用いて作製し、バックエッチング開口
部より基板１をエッチングした後、基板表面の窒化シリ
コン膜５を基板裏面からエッチングする際に、静電容量
センサーのところだけマスクして窒化シリコン膜５を残
してメンブレンとすることにより作製する。

【００６３】記録媒体基板の静電センサー作製方法は、
図４に示す実施例１の記録媒体ユニット作製においてエ
ッチングマスク層５４を成膜した後に、静電容量検出用
電極５８をリフトオフの手法を用いて形成する。電極材
料はプラチナをスパッタリング法にて１０００Å成膜す
る。次に、記録エリアの凸部と同様の方法で静電容量セ
ンサーの凸部を形成する。更に、記録媒体の下地電極と
同様の方法で静電容量検出用電極の配線を形成する。

【００６４】以上の方法で作製した静電センサーをそれ
ぞれの基板の対向する位置に複数設置して、両基板の位
置検知を行った。

【００６５】（実施例４）本発明の第２の製造方法の実
施例を図１０を参照しつつ説明する。先ず、保護層１０
２として熱酸化膜が５０００Å形成された（１００）シ
リコンウエハを第１基板１０１として用意する。続いて
保護層１０２の所望の箇所を、フォトリソグラフィとエ
ッチングによりパターン形成し部分的に８μｍ平方のシ
リコンを露出した。続いて、水酸化カリウム水溶液を用
いた結晶軸異方性エッチングにより凹部１０３を形成し
た。尚、エッチング条件は、濃度２７％のＫＯＨ水溶液
を用い、液温８０℃、エッチング時間は２０分とした。
このとき（１１１）面で囲まれた深さ５．６μｍの逆ピ
ラミッドが形成された（図１０（ａ）参照）。

【００６６】次に保護層１０２である熱酸化膜をＨＦ：
ＮＨ₄ Ｆ＝１：５溶液で全部除去した。続いて、凹部１
０３を含む第１基板１０１上に剥離層１０４として、熱
酸化膜を全面に９００Å成膜した（図１０（ｂ）参
照）。

【００６７】次に第２基板１０６として＃７０５９フュ
ージョンガラスを用意し、この表面に取り出し電極１０
７として金を０．１μｍ真空蒸着法により、全面に成膜
しフォトリソグラフィとエッチングによりパターン形成
を行った。尚この時、金と基板の密着性を良くするため
Ｃｒを０．００５μｍ下引きした。

【００６８】次に凸部１０５としてフォトレジストを用
いたパターンメッキにより金を円柱形状に形成した。こ
のとき、円柱形状は外径６μｍ、高さ７μｍとした（図
１０（ｃ）参照）。

【００６９】次に第１基板１０１に設けた凹部１０３と
第２基板１０６上の凸部１０５とを位置合わせした後、
プレスを行った。尚プレスには１ｋｇの荷重をかけた
（図１０（ｄ）参照）。

【００７０】次に第１基板１０１と第２基板１０６とを
引き離すことにより、凸部先端に凹部の底部形状が転写
された微小ティップ１０９を製造した（図１０（ｅ）参
照）。

【００７１】次に、上述した方法により作製した微小テ
ィップをＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察したとこ
ろ、先端が鋭利に形成されているティップを確認した。
尚ティップの先端曲率半径は０．０３μｍ、高さは６．
５μｍであった。

【００７２】（実施例５）凸部の材料を白金１μｍニッ
ケル６μｍの積層膜とした以外は実施例４と同様に微小
ティップを作製した。このときニッケルはパターンメッ
キで形成し、凸部の上部の白金はスパッタ法で形成し
た。次に、作製した微小ティップをＳＥＭで観察したと
ころ、先端が鋭利に形成されているティップを確認し
た。尚ティップの先端曲率半径は０．０３μｍ、高さは
６．５μｍであった。

【００７３】（実施例６）ティップをマルチにした以外
は全て実施例５と同様にしてティップを作製した。ティ
ップはマトリックス状に配置し、その個数は１００個と
した。尚ティップ間のピッチは２００μｍとした。こう
して形成したティップをＳＥＭで観察したところ、ティ
ップの高さは６．５μｍ±０．１μｍ、先端曲率半径は
０．０３μｍ±０．０２μｍのバラツキ内に収まってお
り、マルチにした場合に形状のそろったティップが得ら
れることが判かった。

【００７４】（実施例７）本実施例では、微小ティップ
をカンチレバー上に形成した実施例について図１１を用
いて説明する。

【００７５】先ず、第２基板１０６として、単結晶シリ
コン基板を用意する。続いて、第２基板上に片持ち梁
（カンチレバー）層１１０として熱酸化膜を１．５μ
ｍ、取り出し電極１０７として金を０．２μｍ成膜し
た。この時、密着を良くするためにクロムを下引きし
た。続いて、フォトリソグラフィとエッチングにより片
持ち梁層１１０と接合層１０７を片持ち梁状にパターン
形成を行った。この時、片持ち梁の寸法は幅５０μｍ、
長さ５００μｍとした。尚、片持ち梁層１１０を成膜し
た後で、あらかじめ片持ち梁が形成される場所の裏面の
保護膜１０２をエッチング除去し、シリコンを露出して
おく（図１１（ａ）参照）。

【００７６】次に取り出し電極１０７上に凸部１０５と
してフォトレジストを用いたパターンメッキにより金を
円柱形状に形成した。このとき、円柱形状は外径６μ
ｍ、高さ７μｍとした（図１１（ｂ）参照）。

【００７７】次に実施例４と同様に作製した凹部１０
３、剥離層１０４、第１基板１０１からなる型を用い、
第１基板１０１の凹部と第２基板の凸部１０５とを位置
合わせし、プレスを行った（図１１（ｃ）参照）。

【００７８】次に第１基板１０１と第２基板１０６とを
引き離すことにより、凸部先端に凹部の底部形状が転写
された微小ティップ１０９を形成した。続いて片持ち梁
下部のシリコンをエッチング除去することにより片持ち
梁型微小ティップを製造した（図１１（ｄ）参照）。

【００７９】次に、上述した方法により作製した微小テ
ィップをＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察したとこ
ろ、先端が鋭利に形成されているティップを確認した。
ティップの先端曲率半径は０．０３μｍ、高さは６．５
μｍであった。また、片持ち梁の形状は幅５０μｍ長さ
５００μｍに形成されていた。尚、片持ち梁（カンチレ
バー）の形状は本発明を制限するものではない。

【００８０】（実施例８）実施例７の微小ティップを用
いたＳＴＭ装置を作製した。装置のブロック図は図６に
示した通りであり、２０１はバイアス印加用電源、２０
２はトンネル電流増幅回路、２０３はＸＹＺ駆動用ドラ
イバー、２０４はカンチレバー、２０５はティップ、２
０６は試料、２０７はＸＹＺ駆動ピエゾ素子である。こ
こでティップ２０５と試料２０６との間を流れるトンネ
ル電流Ｉｔを検出し、Ｉｔが一定となるようにフィード
バックをかけ、ＸＹＺ駆動ピエゾ素子のＺ方向を駆動
し、ティップ２０５とサンプル２０６との間隔を一定に
保っている。更に、ＸＹＺ駆動ピエゾ素子のＸＹ方向を
駆動することにより試料の２次元像であるＳＴＭ像が観
察できる。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）基板の劈開面をバイアス電流１ｎ
Ａ、スキャンエリア１００Å×１００Åで観察したとこ
ろ、再現性良く良好な原子像を得ることができた。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の情報処理
装置は均一に作製されたティップを用いることができ、
情報の高速処理を信頼性良く行うことができる。

【００８２】また、本発明のティップ製造方法は、その
工程に使用した第１基板を繰り返し使用できるため、生
産性の向上、製造コストの低減を図ると同時に鋭利で且
つ均一なティップを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の情報処理装置に係るカンチレバー型プ
ローブ及び記録媒体の断面図である。

【図２】本発明の情報処理装置に係るカンチレバー型プ
ローブの斜視図である。

【図３】本発明の情報処理装置に係るプローブユニット
の製造工程断面図である。

【図４】本発明の情報処理装置に係る記録媒体ユニット
の製造工程断面図である。

【図５】本発明の情報処理装置に係るプローブユニット
及び記録媒体ユニットの斜視図である。

【図６】本発明の情報処理装置の主要構成及びブロック
図である。

【図７】従来の微小ティップの製造方法を説明する断面
図である。

【図８】本発明の情報処理装置の一実施例における記録
媒体ユニットの製造工程断面図である。

【図９】本発明の情報処理装置の一実施例に係る静電容
量センサーの断面図である。

【図１０】本発明の微小ティップの製造方法の一例の主
要工程を示す断面図である。

【図１１】本発明の微小ティップの製造方法の一例の主
要工程を示す断面図である。

【図１２】本発明の微小ティップの製造方法により作製
した微小ティップを用いたＳＴＭのブロック図である。

【図１３】本発明の微小ティップの製造方法の主要工程
を示す断面図である。

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ カンチレバー型プローブ ３ 圧電体層 ３ａ 下圧電体 ３ｂ 上圧電体 ４ 電極 ４ａ 下電極 ４ｂ 中電極 ４ｃ 上電極 ５、５’ 表面マスク層 ６ 裏面マスク層 ７ エッチング開口部 ８ 基板凹部 ９ バックエッチング開口部 １０ トンネル電流用ティップ １１ トンネル電流用配線 １２ 記録媒体 １３ 下地電極 １４ 記録媒体基板 １５ 下地電極配線 １６ データ変調回路 １７ 記録電圧印加装置 １８ Ｘ−Ｙステージ １９ 記録信号検出回路 ２０ データ復調回路 ２１ プローブ高さ検出回路 ２２ Ｘ，Ｚ軸駆動制御回路 ２３ トラック検出回路 ２４ 記録再生用回路 ５１ 凸部 ５２ 斜面 ５３ ボンディングパッド ５４ マスク層 ５５ 絶縁体層 ５６ 金単結晶群 ５７ 半導体基板の静電容量検出用電極 ５８ 記録媒体基板の静電容量検出用電極 １０１ 第１基板 １０２ 保護層 １０３ 凹部 １０４ 剥離層 １０５ 凸部 １０６ 第２基板 １０７ 取り出し電極 １０９ 微小ティップ １１０ 片持ち梁層 ２０１ バイアス印加用電源 ２０２ トンネル電流増幅回路 ２０３ ＸＹＺ駆動用ドライバー ２０４ カンチレバー ２０５ ティップ ２０６ 試料 ２０７ ＸＹＺ駆動ピエゾ素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｇ１２Ｂ 21/04 Ｇ１２Ｂ 1/00 ６０１Ｂ 21/08 ６０１Ｄ (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 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 平３−135702（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−117642（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−84455（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G11B 9/14 G01N 13/12 G01N 13/16 G12B 21/04 G12B 21/08

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板表面に設けられた開口部に先
   端部分の変位手段を有するカンチレバーを配し、該カン
   チレバー先端部分の基板裏面側に情報入出力用微小ティ
   ップを設けてなるプローブユニットと、基板表面に記録
   層を有する凸部を設けて記録エリアとし、上記微小ティ
   ップが該記録エリアに近接するように上記プローブユニ
   ットに対向配置してなる記録媒体と、プローブユニット
   を変位させるための駆動手段、該駆動手段を制御するた
   めの制御手段、微小ティップと記録エリアとの距離を調
   整する手段、及びプローブと記録媒体の間に電圧を印加
   する手段を備えたことを特徴とする情報処理装置。
2. 【請求項２】 半導体基板が単結晶基板であり、該基板
   表面に結晶軸異方性エッチングにより凹部を形成し、該
   凹部に導電性材料を堆積させることにより微小ティップ
   が形成されていることを特徴とする請求項１記載の情報
   処理装置。
3. 【請求項３】 第１基板の表面に凹部を形成する工程
   と、該凹部を含む第１基板表面に剥離層を形成する工
   程、第２基板表面に凸部を形成する工程、第１基板の凹
   部と第２基板の凸部を位置合わせしてからプレスして凹
   部の底部形状を凸部上部に転写する工程を少なくとも有
   することを特徴とする微小ティップの製造方法。
4. 【請求項４】 第１基板の表面に凹部を形成する工程
   が、単結晶基板を用い、結晶軸異方性エッチングで加工
   することを特徴とする請求項３記載の微小ティップの製
   造方法。
5. 【請求項５】 第２基板の凸部が貴金属又は貴金属合金
   であることを特徴とする請求項３記載の微小ティップの
   製造方法。