JP3044425B2 - Thin film displacement element, scanning tunneling microscope and information processing apparatus using the same - Google Patents
Thin film displacement element, scanning tunneling microscope and information processing apparatus using the sameInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、片持ち梁り（カンチレ
バー）構造の変位素子（アクチュエータ）と、それらを
同一基板上へ複数配置した集積化アクチュエータ、個々
のアクチュエータに探針（プローブ）を取り付けたマル
チプローブ式の走査型トンネル顕微鏡、またそれらを応
用した情報の記録再生等を行う情報処理装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a displacement element (actuator) having a cantilever structure, an integrated actuator having a plurality of these elements arranged on the same substrate, and a probe for each actuator. The present invention relates to an attached multi-probe scanning tunneling microscope, and an information processing apparatus that performs recording and reproduction of information using the scanning tunneling microscope.
【０００２】[0002]
【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭと略
す）は、先鋭な導電性プローブを試料表面に数ｎｍ以下
に接近させた時に、その間の障壁を通り抜けて電流が流
れるトンネル効果を利用したものである。［Ｇ．Ｂｉｎ
ｎｉｇ ｅｔ ａｌ．，Ｈｅｌｖｅｔｉｃａ Ｐｈｙｓ
ｉｃａ Ａｃｔａ，５５，７２６（１９８２）、米国特
許第４３４３９９３号］。2. Description of the Related Art A scanning tunneling microscope (hereinafter abbreviated as STM) utilizes a tunnel effect in which a current flows through a barrier therebetween when a sharp conductive probe is brought close to a sample surface to several nm or less. It is. [G. Bin
nig et al. , Helvetica Physs
ica Acta, 55, 726 (1982), US Patent No. 4,343,993].
【０００３】このＳＴＭの原理を応用して、高密度な情
報処理（記録再生）を行う装置が、特開昭６３−１６１
５５２号公報，特開昭６３−１６１５５３号公報等に提
案されている。これはＳＴＭと同様のプローブを用い
て、プローブと記録媒体間にかかる電圧を変化させて記
録を行うものである。A device for performing high-density information processing (recording / reproduction) by applying the principle of the STM is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 63-161.
552, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-161553. In this method, recording is performed by using a probe similar to the STM and changing the voltage applied between the probe and the recording medium.
【０００４】従来このようなＳＴＭのプローブとしては
静電駆動方式のものや、圧電体薄膜を用いたものがあっ
た。Conventionally, such an STM probe includes an electrostatic drive type probe and a probe using a piezoelectric thin film.
【０００５】圧電体薄膜を用いたものはカンチレバー型
のものが一般的に知られており、一方向へのみ変位可能
なユニモルフ型と２方向以上へ変位可能なバイモルフ型
が有る。[0005] A cantilever type using a piezoelectric thin film is generally known, and there are a unimorph type displaceable in only one direction and a bimorph type displaceable in two or more directions.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、単純な
ユニモルフ構造では基板面と垂直方向の変位以外利用す
ることが難しく、またバイモルフ型は薄膜の積層回数が
多くなるため工程数が増え、作製には高度な技術が必要
であった。However, it is difficult to use a simple unimorph structure other than displacement in the direction perpendicular to the substrate surface, and the bimorph type requires a large number of laminations of thin films, so that the number of steps is increased, and the fabrication is difficult. Advanced technology was required.
【０００７】またカンチレバーの先端部に探針を形成し
走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡のプローブとし
て用いる場合にも、基板面に対して垂直方向にアスペク
ト比の高い構造物を形成しなければならず、高度の技術
的手法が必要であった。Also, when a probe is formed at the tip of the cantilever and used as a probe for a scanning tunneling microscope or an atomic force microscope, a structure having a high aspect ratio in the direction perpendicular to the substrate surface must be formed. Rather, a high level of technical technique was required.
【０００８】そこで、本発明は積層数の少ないユニモル
フ構造の薄膜変位素子において、基板面と垂直方向の変
位に加えて基板面と平行方向の変位をも実現し、同時に
走査型トンネル顕微鏡の探針として有利な基板面に垂直
なアスペクト比の大きな構造物を実現することのできる
薄膜変位素子、及びそれを用いた走査型トンネル顕微鏡
及び情報処理装置を提供することを目的とする。Therefore, the present invention provides a unimorph-structured thin film displacement element having a small number of stacked layers, which realizes not only displacement in a direction perpendicular to the substrate surface but also displacement in a direction parallel to the substrate surface, and at the same time, a probe of a scanning tunneling microscope. It is an object of the present invention to provide a thin film displacement element capable of realizing a structure having a large aspect ratio perpendicular to a substrate surface, and a scanning tunnel microscope and an information processing apparatus using the same.
【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
の本発明の構成は以下の通りである。The configuration of the present invention for achieving the above object is as follows.
【００１０】第１に、薄膜圧電体、薄膜電極及び弾性体
を有する薄膜変位素子において、一端を基板に固定され
た基部カンチレバー状変位体の先端に、該基部カンチレ
バーの長さ方向と直交する枝部カンチレバー状変位体を
設け、かつ該枝部カンチレバーの根元付近を湾曲させ、
枝部カンチレバーの長さ方向を基板面と直交させること
により、基板面に対して、垂直及び平行方向の変位を可
能とした点にある。First, in a thin-film displacement element having a thin-film piezoelectric body, a thin-film electrode and an elastic body, one end of a base cantilever-like displacement body having one end fixed to a substrate is provided with a branch perpendicular to the longitudinal direction of the base cantilever. Providing a partial cantilever-like displacement body, and bending the vicinity of the root of the branch cantilever,
By making the length direction of the branch cantilever perpendicular to the substrate surface, it is possible to perform displacement in the vertical and parallel directions with respect to the substrate surface.
【００１１】第２に、前記枝部カンチレバー状変位体の
根元に形成した湾曲部に、加熱により収縮し引張応力を
発生させる金属薄膜を用いた前記第１に記載の薄膜変位
素子とした点である。Secondly, the thin film displacement element according to the first aspect uses a metal thin film which contracts by heating to generate a tensile stress in a curved portion formed at the base of the branch cantilever-like displacement body. is there.
【００１２】第３に、薄膜圧電体として酸化亜鉛を用い
たことを特徴とする前記第１及び第２記載の薄膜変位素
子にある。Third, the thin film displacement element according to the first and second aspects, wherein zinc oxide is used as the thin film piezoelectric material.
【００１３】第４に、前記第１に記載の枝部カンチレバ
ー状変位体の先端部に導電性の探針とその引出し電極を
設けたことを特徴とする前記第１〜３のいずれかに記載
の薄膜変位素子としている点にある。Fourthly, a conductive probe and its lead-out electrode are provided at the tip of the branch cantilever-like displacement body according to the first aspect. In that it is a thin film displacement element.
【００１４】第５に、前記第１〜４のいずれかに記載の
薄膜変位素子を同一のシリコン単結晶基板上へ複数配置
した点である。Fifth, a plurality of thin film displacement elements according to any one of the first to fourth aspects are arranged on the same silicon single crystal substrate.
【００１５】第６として、前記第１〜５のいずれかに記
載の薄膜変位素子を有することを特徴とする走査型トン
ネル顕微鏡としている点である。Sixth, a scanning tunneling microscope characterized by having the thin film displacement element according to any one of the first to fifth aspects.
【００１６】第７は、トンネル電流を用いて記録媒体に
情報の記録再生等を行う情報処理装置において、前記第
１〜５のいずれかに記載の薄膜変位素子を用いた情報処
理装置としている点である。A seventh aspect of the present invention is an information processing apparatus for recording / reproducing information on / from a recording medium using a tunnel current, wherein the information processing apparatus uses the thin film displacement element according to any one of the first to fifth aspects. It is.
【００１７】以下、本発明の構成及び作用を具体的な実
施例に基づいて説明する。Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described based on specific embodiments.
【００１８】[0018]
【実施例】実施例１ 図１は本発明の特徴を最も良く表す構成図であり、図
２，図３，図４はそれぞれ図１中のＡ−Ａ’面，Ｂ−
Ｂ’面，Ｃ−Ｃ’面における断面図である。Embodiment 1 FIG. 1 is a block diagram showing the features of the present invention best. FIGS. 2, 3 and 4 are planes AA 'and B-B in FIG. 1, respectively.
It is sectional drawing in a B 'plane and a CC' plane.
【００１９】これらの図において、１は基板であり、２
は下部弾性体であり導電性物質よりなり下電極も兼ねて
いる。３は圧電体、４は基部上電極、５は枝部上電極、
６は収縮層、７は信号引出し電極、８は探針である。In these figures, 1 is a substrate, 2
Is a lower elastic body, which is made of a conductive material and also serves as a lower electrode. 3 is a piezoelectric body, 4 is a base upper electrode, 5 is a branch upper electrode,
Reference numeral 6 denotes a contraction layer, 7 denotes a signal extraction electrode, and 8 denotes a probe.
【００２０】以上の様な構成により９の基部カンチレバ
ー、１０の湾曲部、１１の枝部カンチレバーが形成され
ている。枝部カンチレバー１１は基部カンチレバー９の
長さ方向に対して直角に形成されており、かつ湾曲部１
０により基部カンチレバー９のレバー面に対して垂直に
なる位置まで曲げられている。With the above configuration, 9 base cantilevers, 10 curved portions, and 11 branch cantilevers are formed. The branch cantilever 11 is formed at right angles to the length direction of the base cantilever 9, and
0, it is bent to a position perpendicular to the lever surface of the base cantilever 9.
【００２１】ここで圧電体３はその圧電分極軸が矢印１
２の方向に配向させて形成されており、電圧印加により
ｄ31の逆圧電効果で伸長または収縮させることができ
る。各電極は、下部弾性体２を共通のグランドとし、基
部上電極４、枝部上電極５が基板１上へ個別に引出され
ており、この部分を通して電圧印加が出来るようになっ
ている。The piezoelectric body 3 has a piezoelectric polarization axis indicated by an arrow 1
Oriented in a second direction are formed, it can be extended or retracted in the reverse piezoelectric effect of d 31 by applying voltage. In each electrode, the lower elastic body 2 is used as a common ground, and the upper base electrode 4 and the upper branch electrode 5 are individually drawn out onto the substrate 1 so that a voltage can be applied through these portions.
【００２２】上記の様な構成にした後、所定の駆動電圧
を加え圧電体を伸長または収縮させることにより、基部
カンチレバー９は図１中のｚ方向で屈曲変位を行う。ま
た枝部カンチレバー１１はｙ方向へ屈曲変位させること
ができ、２方向へ変位可能なユニモルフの薄膜変位素子
を実現できる。After the above configuration, a predetermined driving voltage is applied to extend or contract the piezoelectric body, whereby the base cantilever 9 performs bending displacement in the z direction in FIG. Further, the branch cantilever 11 can be bent and displaced in the y direction, and a unimorph thin film displacement element that can be displaced in two directions can be realized.
【００２３】次に湾曲部１０の形成法について説明す
る。湾曲部１０の上面には収縮層６が形成されており、
この収縮層６は成膜後の加熱処理より強い引張り応力を
発生する薄膜が用いられている。このような性質はスパ
ッタリング法によって形成された金属薄膜にしばしば現
れる性質であり、特に成膜時の基板温度を低温にし、ス
パッタガス圧を高くした場合に著しい。Next, a method of forming the curved portion 10 will be described. A contraction layer 6 is formed on the upper surface of the curved portion 10,
As the shrink layer 6, a thin film that generates a tensile stress stronger than the heat treatment after film formation is used. Such a property often appears in a metal thin film formed by a sputtering method, and is particularly remarkable when the substrate temperature during film formation is lowered and the sputter gas pressure is increased.
【００２４】この様な性質を有する薄膜の一例として、
スパッタリング法で形成したＰｄ膜の膜応力の変化を示
すグラフを図５に示す。図５から分るように成膜時には
圧縮応力を有していた膜が加熱により強い引張り応力を
発生する。As an example of a thin film having such properties,
FIG. 5 is a graph showing changes in the film stress of the Pd film formed by the sputtering method. As can be seen from FIG. 5, a film having a compressive stress at the time of film formation generates a strong tensile stress by heating.
【００２５】この様な膜を湾曲部１０の上面に形成し膜
厚と加熱温度を調節することにより、枝部カンチレバー
１１を図１のごとくｚ方向へ向けることができる。By forming such a film on the upper surface of the curved portion 10 and adjusting the film thickness and the heating temperature, the branch cantilever 11 can be directed in the z direction as shown in FIG.
【００２６】なお本実施例においては図３に示すように
湾曲部１０の位置において導電性の弾性体２を他の部分
よりも細くすることにより湾曲し易くしている。In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the conductive elastic body 2 is made thinner at the position of the bending portion 10 than the other portions so as to bend easily.
【００２７】更に本発明においては信号引出し電極７を
枝部カンチレバー１１の先端部まで形成している。これ
により枝部カンチレバー１１の先端部を導電性の探針８
として用いることができる。Further, in the present invention, the signal extraction electrode 7 is formed up to the tip of the branch cantilever 11. Thus, the tip of the branch cantilever 11 is connected to the conductive probe 8.
Can be used as
【００２８】このように導電性の探針８を先端部に設け
ることにより本発明による薄膜変位素子をＳＴＭのプロ
ーブとして用いることができる。即ち、各電極に所定の
駆動電圧を印加し、基部カンチレバー９を屈曲変位さ
せ、探針８を観察対象の表面へ接近させる。表面が導電
性を持つ場合探針８と表面との距離が数ｎｍ程度まで近
づくと、探針８と表面との間に、トンネル電流が流れ
る。このトンネル電流は探針８と先端との距離により指
数関数的に変化するため、信号引出し電極７を通してこ
のトンネル電流を取り出して増幅を行い、基部カンチレ
バー９の駆動電圧にフィードバックをかけることによ
り、探針８と表面までの距離を一定に保つことができ
る。この様な状態で枝部カンチレバー１１及び外部の微
小変位素子によりｘ，ｙ方向に走査することにより、フ
ィードバック電圧の変化から、極微小表面の凹凸、導電
率の変化を観察することが可能である。By providing the conductive probe 8 at the tip as described above, the thin film displacement element according to the present invention can be used as an STM probe. That is, a predetermined drive voltage is applied to each electrode, the base cantilever 9 is bent and displaced, and the probe 8 approaches the surface of the observation target. When the surface has conductivity, a tunnel current flows between the probe 8 and the surface when the distance between the probe 8 and the surface approaches about several nm. Since this tunnel current changes exponentially depending on the distance between the probe 8 and the tip, the tunnel current is taken out through the signal extraction electrode 7 and amplified, and the drive voltage of the base cantilever 9 is fed back to give a feedback. The distance between the needle 8 and the surface can be kept constant. By scanning in the x and y directions by the branch cantilever 11 and the external small displacement element in such a state, it is possible to observe the unevenness of the micro surface and the change in conductivity from the change in the feedback voltage. .
【００２９】次に図６を用いて本実施例に係る薄膜変位
素子の製造方法の一例を説明する。Next, an example of a method of manufacturing the thin film displacement element according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
【００３０】先ず面方位（１００）の単結晶シリコン基
板１上へ減圧ＣＶＤ法によりＳｉ3Ｎ4 膜を１５００Å
成膜し絶縁性の保護膜１３を形成する（図６（ａ）参
照）。次に密着性確保のためＣｒを５〜１０Å真空蒸着
したのち、Ａｕを２０００Å蒸着する。この蒸着工程に
おいて基板は２００℃に加熱されており、後工程での加
熱による金属薄膜の収縮を出来るだけ小さくしている。
金属薄膜形成後、感光性レジストを塗布して一般的なフ
ォトリソグラフにより不要部のＡｕ／Ｃｒをエッチング
除去し導電性の下部弾性体２を形成する（図６（ｂ）参
照）。First, a Si 3 N 4 film is deposited on a single crystal silicon substrate 1 having a plane orientation of (100) by a reduced pressure CVD method at 1500 °.
The insulating protective film 13 is formed by film formation (see FIG. 6A). Next, Cr is vapor-deposited at 5 to 10 ° to secure adhesion, and then Au is vapor-deposited at 2000 °. In this vapor deposition step, the substrate is heated to 200 ° C., and shrinkage of the metal thin film due to heating in the subsequent step is reduced as much as possible.
After the formation of the metal thin film, a photosensitive resist is applied, and unnecessary portions of Au / Cr are removed by etching by a general photolithography to form a conductive lower elastic body 2 (see FIG. 6B).
【００３１】次にその上にスパッタ蒸着法によりＺｎＯ
を４０００Å形成し、圧電体３を形成する。この上に感
光性レジストを塗布し、パターニングを行いエッチング
にて不要部分のＺｎＯを除去する（図６（ｃ）参照）。Next, ZnO was formed thereon by sputtering deposition.
Is formed at 4000 ° to form the piezoelectric body 3. A photosensitive resist is applied thereon, patterning is performed, and unnecessary portions of ZnO are removed by etching (see FIG. 6C).
【００３２】再びＡｕを５００Å成膜し、フォトリソグ
ラフによりパターニングを行い、基部上電極４，枝部上
電極５，信号引出し電極７を形成する（図６（ｄ）参
照）。A film of Au is formed again at a thickness of 500.degree. And patterned by photolithography to form the upper base electrode 4, the upper branch electrode 5, and the signal extraction electrode 7 (see FIG. 6D).
【００３３】次に一般的にリフトオフ法と呼ばれる手法
を用いて収縮層６を形成する。即ち、感光性レジストを
塗布し収縮層６を形成する部分のみレジストを除去し、
圧電体３の表面を露出させる。この状態でスパッタ蒸着
によりＰｄを２０００Å全面に成膜し、その後溶剤でレ
ジストを除去することによりレジスト上へ形成された薄
膜は除去される（図６（ｅ）参照）。Next, the shrink layer 6 is formed by using a technique generally called a lift-off method. That is, the photosensitive resist is applied and the resist is removed only at the portion where the shrink layer 6 is formed,
The surface of the piezoelectric body 3 is exposed. In this state, Pd is deposited over the entire surface of the film by 2000 mm by sputter deposition, and then the resist is removed with a solvent to remove the thin film formed on the resist (see FIG. 6E).
【００３４】この後Ｓｉ単結晶基板１の裏面より面方位
によりエッチング速度の大きく異ることを利用した異方
性エッチングを行い、Ｓｉ3 Ｎ4 の位置までＳｉを除去
する（図６（ｆ）参照）。反応性イオンエッチング（Ｒ
ＩＥ）によりＳｉ3 Ｎ4 膜を取り除き、基部カンチレバ
ー９，湾曲部１０，枝部カンチレバー１１を形成する
（図６（ｇ）参照）。Thereafter, anisotropic etching is carried out from the back surface of the Si single crystal substrate 1 utilizing the fact that the etching rate varies greatly depending on the plane orientation, and Si is removed to the position of Si 3 N 4 (FIG. 6 (f)). reference). Reactive ion etching (R
The Si 3 N 4 film is removed by IE) to form the base cantilever 9, the curved portion 10, and the branch cantilever 11 (see FIG. 6G).
【００３５】以上の一連の工程によりＬ字型の構造を形
成した後２００℃の加熱処理を行い収縮層６に引張り応
力を発生させ枝部カンチレバー１１を上方へ反らせるこ
とにより、本実施例における薄膜変位素子を形成する。After the L-shaped structure is formed by the above series of steps, a heat treatment is performed at 200 ° C. to generate a tensile stress in the shrink layer 6 and to warp the branch cantilever 11 upward, whereby the thin film in this embodiment is formed. A displacement element is formed.
【００３６】上記の作製例においてフォトリソグラフに
用いたエッチング液は、Ａｕに対してはＫＩ：Ｉ2 水溶
液、ＺｎＯに対しては酢酸水溶液、Ｃｒに対しては（Ｎ
Ｈ4）2 Ｃｅ（ＮＯ3 ）6 ；ＨＣｌＯ4 水溶液を用い
た。またＳｉの異方性エッチングにはＫＯＨ水溶液を用
い、反応性イオンエッチングにはＣＦ4 ガスを用いた。
電極及び弾性体として用いた金属はここで使用したもの
に限定されるものではなく、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｐｔ，
Ｗ等他の物質を用いること可能である。同様に圧電体も
ＺｎＯ以外にＡｌＮ，Ｔａ2 Ｏ5 ，ＰＺＴ，ＢａＴｉＯ
3 等他の物質を用いることができる。The etching solution used for the photolithography in the above-mentioned production example is a KI: I 2 aqueous solution for Au, an acetic acid aqueous solution for ZnO, and (N
H 4 ) 2 Ce (NO 3 ) 6 ; HClO 4 aqueous solution was used. A KOH aqueous solution was used for Si anisotropic etching, and CF 4 gas was used for reactive ion etching.
The metal used as the electrode and the elastic body is not limited to those used here, but may be Ag, Cu, Al, Pt,
Other substances such as W can be used. Similarly, the piezoelectric body is made of AlN, Ta 2 O 5 , PZT, BaTiO other than ZnO.
Other materials such as 3 can be used.
【００３７】以下に本実施例で作製した薄膜変位素子の
各部の寸法及び駆動特性の一例を示す。The following is an example of the dimensions and drive characteristics of each part of the thin film displacement element manufactured in this embodiment.
【００３８】 基部カンチレバー９の長さ ４００μｍ 幅２００
μｍ 枝部カンチレバー１１の長さ ２００μｍ 幅 ５０
μｍ 湾曲部１０の長さ ２００μｍ 駆動電圧 最大 ３Ｖ 基部カンチレバー９の先端の最大変位量 ４μｍ 枝部カンチレバー１１の先端の最大変位量 １μｍ となった。Base cantilever 9 Length 400 μm Width 200
μm Length of branch cantilever 11 200 μm Width 50
μm Length of curved portion 10 200 μm Driving voltage 3 V max. Maximum displacement of tip of base cantilever 9 4 μm Maximum displacement of tip of branch cantilever 11 1 μm.
【００３９】以上本発明を用いることにより、バイモル
フ型に比べ積層数が少なく構造の簡単なユニモルフ型の
薄膜アクチュエータで２方向の精密微小変位を実現する
ことができた。As described above, by using the present invention, it was possible to realize a two-way precise minute displacement with a unimorph type thin film actuator having a smaller number of layers and a simple structure as compared with a bimorph type.
【００４０】また基板面より垂直方向にアスペクト比の
大きな構造体を形成しているため、その先端部をＳＴＭ
の探針として用いることが可能となった。Further, since a structure having a large aspect ratio is formed in a direction perpendicular to the substrate surface, the tip of the structure is formed by STM.
It has become possible to use it as a probe.
【００４１】実施例２ 図７及び図８は、実施例１において説明したカンチレバ
ー状変位体を有する薄膜変位素子を、同一のシリコン基
板１上に複数個作製してなる集積化アクチュエータ２０
を作製したものである。 Embodiment 2 FIGS. 7 and 8 show an integrated actuator 20 in which a plurality of thin-film displacement elements having a cantilever-shaped displacement body described in Embodiment 1 are manufactured on the same silicon substrate 1.
Was produced.
【００４２】かかる集積化アクチュエータは、前述実施
例１で説明した作製方法において、フォトリソグラフの
パターンを拡張するだけでよい。このように、同一の基
板上へ複数のカンチレバーを同時に形成できるため、寸
法精度が非常に高く、各カンチレバー間の特性のばらつ
きも非常に小さく抑えることができる。In such an integrated actuator, it is only necessary to extend the photolithographic pattern in the manufacturing method described in the first embodiment. As described above, since a plurality of cantilevers can be simultaneously formed on the same substrate, the dimensional accuracy is extremely high, and the variation in characteristics among the cantilevers can be extremely suppressed.
【００４３】また、基板としてＳｉ単結晶を用いること
により、トランジスタやダイオード等の半導体素子も同
一基板上へ集積化することが可能となり、トンネル電流
増幅やカンチレバー駆動用のアンプを一体化することが
できる。Further, by using a single crystal of Si as a substrate, semiconductor elements such as transistors and diodes can be integrated on the same substrate, and an amplifier for tunnel current amplification and cantilever driving can be integrated. it can.
【００４４】図８は本実施例の集積化アクチュエータを
用いたＳＴＭ装置を模式的に示した図である。これによ
り、集積化アクチュエータ２０を用い、観察対象２２の
表面上の複数の微小領域のＳＴＭ像を同時に観察するこ
とができる。同図において２１及び２３はｘ，ｙ，ｚ方
向に粗動機構を有する可動ステージであり、可動ステー
ジ２１には集積化アクチュエータ２０が固定され、可動
ステージ２３には観察対象２２が固定されている。FIG. 8 is a diagram schematically showing an STM device using the integrated actuator of this embodiment. Thus, the STM images of a plurality of minute regions on the surface of the observation target 22 can be simultaneously observed using the integrated actuator 20. In the figure, reference numerals 21 and 23 denote movable stages having coarse movement mechanisms in the x, y, and z directions. The integrated actuator 20 is fixed to the movable stage 21, and the observation target 22 is fixed to the movable stage 23. .
【００４５】以下に、本実施例で作製した集積化アクチ
ュエータの寸法の一例を示す。The following is an example of dimensions of the integrated actuator manufactured in this embodiment.
【００４６】 集積化アクチュエータ２０の外径…４０×４０×１ｍｍ カンチレバーの本数 …９０本実施例３ 図９に実施例２で設目下集積化アクチュエータを用い
た、情報の記録・再生等を行える情報処理装置の模式図
を示す。Outer diameter of integrated actuator 20: 40 × 40 × 1 mm Number of cantilevers: 90 Example 3 FIG. 9 shows information on which information can be recorded / reproduced using an integrated actuator in the second embodiment in FIG. 1 shows a schematic diagram of a processing apparatus.
【００４７】同図において、１０３は電圧印加により抵
抗値が変化する記録層、１０２は金属電極層、１０１は
記録媒体基板である。２０１はＸＹステージ、２０２は
本発明による集積化アクチュエータ、２０３は集積化ア
クチュエータの支持体、２０４は集積化アクチュエータ
をＺ方向へ粗動するためのリニアアクチュエータ、２０
５，２０６はＸＹステージをそれぞれＸ，Ｙ方向へ駆動
するリニアアクチュエータ、２０７は記録再生用のバイ
アス回路である。３０１はトンネル電流検出器、３０２
は集積化アクチュエータをＺ軸方向に移動させるための
サーボ回路であり、３０３はアクチュエータ２０４を駆
動するためのサーボ回路である。３０４は個々のカンチ
レバーを微小変位させるための駆動回路であり、３０５
はＸＹステージの位置制御を行う駆動回路である。３０
６はこれらの操作を制御するコンピュータである。In the figure, reference numeral 103 denotes a recording layer whose resistance changes when a voltage is applied, 102 denotes a metal electrode layer, and 101 denotes a recording medium substrate. 201 is an XY stage, 202 is an integrated actuator according to the present invention, 203 is a support for the integrated actuator, 204 is a linear actuator for coarsely moving the integrated actuator in the Z direction, 20
Reference numerals 5 and 206 denote linear actuators for driving the XY stage in the X and Y directions, respectively, and reference numeral 207 denotes a bias circuit for recording and reproduction. 301 is a tunnel current detector, 302
, A servo circuit for moving the integrated actuator in the Z-axis direction; and 303, a servo circuit for driving the actuator 204. Reference numeral 304 denotes a drive circuit for minutely displacing the individual cantilevers.
Is a drive circuit for controlling the position of the XY stage. 30
A computer 6 controls these operations.
【００４８】このようなシステムを用いることにより、
大容量の情報を高密度に記録することが可能となり、ま
たプローブを多数集積化し、それらを同時に走査するた
め、高速度の記録再生を行うことができる。By using such a system,
Since a large amount of information can be recorded at a high density, and a large number of probes are integrated and scanned simultaneously, high-speed recording and reproduction can be performed.
【００４９】このようなシステムに本発明の薄膜変位素
子によると、個々のプローブの分解能が向上し、記録再
生時のトラッキング性能が向上し、書込み、読取り時の
エラーの発生率を小さくすることができる。In such a system, according to the thin film displacement element of the present invention, the resolution of each probe can be improved, the tracking performance at the time of recording and reproduction can be improved, and the rate of occurrence of errors at the time of writing and reading can be reduced. it can.
【００５０】[0050]
【発明の効果】以上説明したように圧電体と金属膜より
構成される薄膜変位素子において、基部カンチレバー先
端部に分枝したカンチレバー状の構造を設け、その枝部
カンチレバーの根元部分を湾曲させることにより以下の
様な効果が得られる。As described above, in the thin-film displacement element composed of the piezoelectric material and the metal film, a branched cantilever-like structure is provided at the tip of the base cantilever, and the root of the branch cantilever is curved. As a result, the following effects can be obtained.
【００５１】２方向の微小変位を、積層数が少なく製造
工程数の少ないユニモルフ型の変位素子で実現すること
ができた。これにより、変位素子作製の際の工程数削
減、歩留りの向上を実現できた。The micro displacement in two directions could be realized by a unimorph type displacement element having a small number of layers and a small number of manufacturing steps. As a result, it was possible to reduce the number of steps in manufacturing the displacement element and improve the yield.
【００５２】基板面に対して垂直方向にアスペクト比の
大きな構造体を形成することができ、高分解能なＳＴＭ
のプローブを実現できた。It is possible to form a structure having a large aspect ratio in the direction perpendicular to the substrate surface, and to obtain a high-resolution STM.
Probe was realized.
【図１】実施例１にて示す薄膜変位素子の構成図であ
る。FIG. 1 is a configuration diagram of a thin film displacement element shown in Embodiment 1.
【図２】図１中Ａ−Ａ’面における断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along the line A-A 'in FIG.
【図３】図１中Ｂ−Ｂ’面における断面図である。FIG. 3 is a sectional view taken along the line B-B 'in FIG.
【図４】図１中Ｃ−Ｃ’面における断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along a plane C-C 'in FIG.
【図５】収縮層の応力変化の特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram of a change in stress of a shrink layer.
【図６】実施例１にて示す薄膜変位素子の製造工程図で
ある。FIG. 6 is a manufacturing process diagram of the thin film displacement element shown in Example 1.
【図７】実施例２にて示す集積化変位素子の構成図であ
る。FIG. 7 is a configuration diagram of an integrated displacement element shown in Embodiment 2.
【図８】実施例２にて示す集積化変位素子を用いたＳＴ
Ｍの部分断面図である。FIG. 8 illustrates an ST using the integrated displacement element described in the second embodiment.
It is a fragmentary sectional view of M.
【図９】実施例３にて示す集積化変位素子を用いた情報
処理装置のブロック構成図である。FIG. 9 is a block diagram of an information processing apparatus using an integrated displacement element according to a third embodiment.
１ 基板 ２ 下部弾性体 ３ 圧電体 ４ 基部上電極 ５ 枝部上電極 ６ 収縮層 ７ 信号引出し電極 ８ 探針 ９ 基部カンチレバー １０ 湾曲部 １１ 枝部カンチレバー １２ 圧電分極軸 １３ 保護膜 ２０ 集積化アクチュエータ ２１ 可動ステージ ２２ 観察対象 ２３ 可動ステージ １０１ 記録媒体基板 １０２ 金属電極層 １０３ 記録層 ２０１ ＸＹステージ ２０２ 集積化アクチュエータ ２０３ 支持体 ２０４ Ｚ方向リニアアクチュエータ ２０５ Ｘ方向リニアアクチュエータ ２０６ Ｙ方向リニアアクチュエータ ２０７ 記録再生用バイアス回路 ３０１ トンネル電流検出器 ３０２ サーボ回路 ３０３ サーボ回路 ３０４ カンチレバー駆動回路 ３０５ 駆動回路 ３０６ コンピュータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Lower elastic body 3 Piezoelectric material 4 Base upper electrode 5 Branch upper electrode 6 Shrinkage layer 7 Signal extraction electrode 8 Probe 9 Base cantilever 10 Curved portion 11 Branch cantilever 12 Piezoelectric polarization axis 13 Protective film 20 Integrated actuator 21 Movable stage 22 Observation target 23 Movable stage 101 Recording medium substrate 102 Metal electrode layer 103 Recording layer 201 XY stage 202 Integrated actuator 203 Support 204 Z-direction linear actuator 205 X-direction linear actuator 206 Y-direction linear actuator 207 Recording / reproduction bias circuit 301 Tunnel current detector 302 Servo circuit 303 Servo circuit 304 Cantilever drive circuit 305 Drive circuit 306 Computer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河田 春紀 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４−205828（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 7/00 - 7/34 G01B 21/00 - 21/32 G01N 37/00 G11B 9/00 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Haruki Kawata 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Inside Canon Inc. (56) References JP-A-4-205828 (JP, A) (58) Survey Field (Int.Cl. 7 , DB name) G01B 7 /00-7/34 G01B 21/00-21/32 G01N 37/00 G11B 9/00
Claims (7)
る薄膜変位素子において、一端を基板に固定された基部
カンチレバー状変位体の先端に、該基部カンチレバーの
長さ方向と直交する枝部カンチレバー状変位体を有し、
かつ該枝部カンチレバーの根元付近の湾曲により、枝部
カンチレバーの長さ方向が基板面と垂直方向であること
を特徴とする薄膜変位素子。1. A thin-film displacement element having a thin-film piezoelectric body, a thin-film electrode, and an elastic body. Having a state displacement body,
A thin film displacement element wherein the length direction of the branch cantilever is perpendicular to the substrate surface due to the curvature near the root of the branch cantilever.
より収縮する金属薄膜を用いたことを特徴とする請求項
１に記載の薄膜変位素子。2. The thin film displacement element according to claim 1, wherein a metal thin film contracted by heating is used for a curved portion of the branch cantilever.
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜変位素
子。3. The thin film displacement element according to claim 1, wherein zinc oxide is used as the thin film piezoelectric body.
に導電性の探針とその引出し電極を設けたことを特徴と
する請求項１乃至３のいずれかに記載の薄膜変位素子。4. The thin-film displacement element according to claim 1, wherein a conductive probe and an extraction electrode thereof are provided at a tip end of said branch-portion cantilever-shaped displacement body.
変位素子が同一のシリコン単結晶基板上に複数配置され
ていることを特徴とする薄膜変位素子。5. A thin-film displacement element according to claim 1, wherein a plurality of the thin-film displacement elements according to claim 1 are arranged on the same silicon single crystal substrate.
変位素子を有することを特徴とする走査型トンネル顕微
鏡。6. A scanning tunnel microscope comprising the thin film displacement element according to claim 1.
記録再生等を行う情報処理装置において、少なくとも請
求項１乃至５のいずれかに記載の薄膜変位素子を有する
ことを特徴とする情報処理装置。7. An information processing apparatus for recording and reproducing information on a recording medium using a tunnel current, comprising at least the thin film displacement element according to claim 1. .
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|---|---|---|---|
| JP4315547A JP3044425B2 (en) | 1992-11-02 | 1992-11-02 | Thin film displacement element, scanning tunneling microscope and information processing apparatus using the same |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP4315547A JP3044425B2 (en) | 1992-11-02 | 1992-11-02 | Thin film displacement element, scanning tunneling microscope and information processing apparatus using the same |
Publications (2)
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| JPH06147884A JPH06147884A (en) | 1994-05-27 |
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Family Applications (1)
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