JP3114023B2 - 集積化アクチュエーターの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の変位素子（アク
チュエーター）を同一基板上に配置した集積化アクチュ
エーターの製造方法に関し、個々のアクチュエーターに
探針（プローブ）を取りつけたマルチプローブ式の走査
型トンネル顕微鏡、また、それを応用した情報処理装置
に用いられる。

【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
に近接させた時に、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、既に周知である
［Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｈｅｌｖｅｔｉ
ｃａ Ｐｈｙｓｉｃａ Ａｃｔａ，５５，７２６（１９
８２）、米国特許第４３４３９９３号］。

【０００３】このプローブと試料表面間に電圧をかけて
数ｎｍ以下に接近させた時に流れるトンネル電流は、そ
の距離に対して指数関数的に変化するのでトンネル電流
を一定に保ち、プローブを試料表面（ＸＹ方向）に沿っ
てマトリックス走査することにより、表面状態を原子オ
ーダーの高分解能で観察することができる。

【０００４】また、このＳＴＭの原理を応用して高密度
な情報処理（記録再生）装置が特開昭６３−１６１５５
２号公報、特開昭６３−１６１５５３号公報に提案され
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ける電圧を変化させて記録を行うも
のである。

【０００５】従来、これらの記録再生装置に用いられて
いたプローブの形成手法としては、半導体製造プロセス
の技術を使い、一つの基板上に微細な構造を作る加工技
術［Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ“Ｓｉｌｉｃｏｎ ａｓ
ａ Ｍｅｃｈａｎｉｃｈａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌ”，
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ，７０
（５），４２０−４５７（１９８２）］が知られてい
た。このような手法により構成したＳＴＭが特開昭６１
−２０６１４８号公報に提案されている。

【０００６】これは単結晶シリコンを基板として微細加
工により、ＸＹ方向に微動できる平行バネを形成し、さ
らにその可動部にプローブを形成したカンチレバー部を
設け、カンチレバー部と底面部に電界を与え静電力によ
り基板平面と直角な方向（Ｚ方向とする）に変位するよ
うに構成されている。

【０００７】またカンチレバー部に酸化亜鉛などの圧電
性薄膜と駆動電圧印加用の電極層を形成したものも提案
されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例ではプローブ微動用のアクチュエーターが片持ち梁
構造であるため、製造時に反りやねじれが生じやすく、
精度よく形成するのが難しかった。このことは複数のプ
ローブを同一基板に作製する場合、より顕著となり、集
積化を難しくしていた。また片持ち梁構造であるため、
外部の振動を受け易く、また機械的強度も低いため、耐
久性に難点があった。

【０００９】そこで、本発明は、製造時に反りやねじれ
が発生しにくく、複数のプローブを精度良く同一基板上
に形成でき、外部からの振動に強く、耐久性の大きな微
動可能な集積化プローブユニットを提供するものであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、変位
素子を同一基板上に複数集積化した集積化アクチュエー
ターの製造方法において、基板上に主面が基板面に対し
て垂直な電極を形成する第１の工程と、前記基板上に前
記電極を覆うように圧電体層を形成する第２の工程と、
前記圧電体層上面を平坦化し、前記電極の一部を露出さ
せる第３の工程と、前記平坦化された圧電体層上に主面
が基板面に対して垂直な電極を形成する第４の工程と、
前記電極を覆うように圧電体層を形成する第５の工程
と、前記圧電体層上面を平坦化し、前記電極の一部を露
出させる第６の工程と、変位素子を構成する圧電体層以
外の基板上の圧電地層を除去する第７の工程とを含むこ
とを特徴とする集積化アクチュエーターの製造方法に関
する。

【００１１】

【００１２】本発明に係るアクチュエーターの前記圧電
体上面に先鋭な導電性のプローブを形成することによ
り、ＳＴＭとして用ることができ、同一基板上へ多数集
積化することにより、マルチプローブ式のＳＴＭ装置を
実現できるのである。

【００１３】以上のように、本発明はプローブ駆動用の
アクチュエーターとして片持ち梁構造を用いないため、
作製時の反りやねじれが生じにくく、多数のアクチュエ
ーターを精度良く形成することができ集積化が容易とな
る。また外部の振動を受け難く、機械的強度も大きいた
め耐久性も向上する。

【００１４】以下、実施例により、本発明の構成、作用
及び形成方法を具体的に説明する。

【００１５】

【実施例】実施例１ 図１は本発明に係る変位素子の基本構成を示す平面図で
ある。また図１中の矢印の方向から見た斜視図を図２に
示す。

【００１６】基板１の上に柱状構造の圧電体２が設けら
れており、前記圧電体２の３方の側面の下部にはそれぞ
れ電極３ａ，４ａ，５ａが形成されている。また前記３
方の側面の上部にもそれぞれ電極３ｂ，４ｂ，５ｂが形
成されており、電極３ａと３ｂ，４ａと４ｂ，５ａと５
ｂは圧電体２の一部である絶縁層により分離されてい
る。圧電体２の上面には先鋭な探針７が形成されてお
り、それと接触させて引出し電極８が設けてある。

【００１７】以上のような構成にしたのち前記電極３
ａ，４ａ，５ａ，３ｂ，４ｂ，５ｂに電圧を印加した場
合、圧電体２は印加電圧の強度やパターンに応じて変形
する。

【００１８】圧電体２の変形の様子を図３〜図６を用い
て説明する。

【００１９】図３はＸＹ方向への変形方法を示す斜視図
である。圧電体２の圧電分極軸９は成膜時に基板１に対
して垂直方向に配向しており、ＺｎＯやＡｌＮなどの６
方晶系の材料において、この方向へ分極軸を配向させる
ことは比較的容易である。

【００２０】このように基板１に対して垂直方向に配向
した圧電体２の側面に接して形成されている電極に電圧
印加を行った時、圧電体２はｄ₁₅モードの圧電効果によ
り微小変位する。

【００２１】即ち、電極３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂに正の
電圧、電極５ａ，５ｂに負の電圧を印加した場合、矢印
１０の方向へ微小変位する。図４は前記ｄ₁₅モードの圧
電効果を模式的に説明したものである。圧電体２は圧電
分極軸９で示す方向に配向しており、これと垂直方向の
電場を電極３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂを通して加えること
により圧電体２は厚みすべり変形を生じ、上部が下部に
対して矢印１０の方向へ微小変位する。

【００２２】次にＺ方向への微小変位の機構を図５、図
６を用いて説明する。

【００２３】圧電体２よりなる柱状構造物の各側面に設
けられた電極は上下に分割されている。上部電極３ｂ，
４ｂ，５ｂにマイナスの電圧、下部の電極３ａ，４ａ，
５ａにプラスの電圧を印加すると、ｄ₃₃モードの圧電効
果により圧電体２は矢印１１の方向へ微小変形する。上
下電極に印加する電圧の負号を反転させれば、変形の方
向も反対となる。

【００２４】図６は前記ｄ₃₃モードの圧電効果を模式的
に説明したものである。圧電分極軸と電界の方向が平行
な場合、圧電体２は矢印１１で示す方向に伸長する。

【００２５】次に、本実施例における構造体の形成方法
について図７〜図１０を用いて説明する。

【００２６】このうち、図７は下部電極形成までの製造
工程を示したものである。図７（ａ）はシリコン基板１
上にフォトリソグラフ法によりパターン形成された底部
電極２０を示し、図７（ｂ）は（ａ）中の破線Ａ−Ａ’
における断面図である。次に、フォトレジスト２１を塗
布し（図７（ｃ））、フォトレジスト２１に対して露
光、現像を行い、目的のパターンニングを得る（図７
（ｄ））。底部電極２０の一部のみ露出させ、残りはフ
ォトレジスト２１により覆われている。その後、前記
（ｄ）で露出させた底部電極２０上へ電解メッキ法によ
り電極となる金属を成長させる（図７（ｅ））。このよ
うな方法は一般にＬＩＧＡプロセスと呼ばれているもの
であり、高いアスペクト比の構造体を形成するのに適し
ている。

【００２７】この電極金属成長のとき、底部電極２０に
は、それぞれ金属析出に最適な電圧が印加されており、
電極４ａに通ずる底部電極への通電時間を他のものより
短かくすることにより、電極４ａのみ高さを低くする。

【００２８】次に、電極成長後、レジスト２１を除去し
（図７（ｆ））、前記（ｆ）の電極パターン上へスパッ
タ蒸着により、圧電体２を堆積させる（図７（ｇ））。
圧電体２としては酸化亜鉛を用いた。そして、前記
（ｇ）において堆積したＺｎＯの一部をフォトリソグラ
フにより除去し、平坦化を行い、かつ電極８，２４を露
出させる（図７（ｈ））。更に、前記（ｈ）の上へ真空
蒸着により、金属薄膜２５を形成し（図７（ｉ））、こ
の金属薄膜２５に対してフォトリソグラフを行いパター
ン形成を行う（図７（ｊ））。

【００２９】図８は上部電極形成までの製造工程を示し
たものであり、このうち、図８（ｋ）は前記（ｊ）にお
いて形成したパターンの平面図を示す。このパターン形
成された電極２５は電極８，２４を通して底部電極２０
と接続されている。

【００３０】まず、前記（ｋ）における構造体上へ再び
フォトレジスト２１を塗布し（図８（ｌ））、このフォ
トレジスト２１に対して前記（ｄ）と同様にパターンの
露光、現像を行い、電極２５を露出させる（図８
（ｍ））。次に、前記（ｅ）と同様に再び電解メッキ法
により金属を析出させ、電極８と電極３ｂを形成する
（図８（ｎ））。この時、電極８と電極３ｂへの電流量
を調節することにより電極３ｂの高さを電極８よりも低
くする。電極形成が終ったのち、レジスト２１を除去し
（図８（ｏ））、前記（ｏ）の構造体上へ再び圧電体２
の堆積を行い電極８，３ｂを埋没させる（図８
（ｐ））。更に、ＺｎＯの一部をフォトリソグラフによ
り除去し、平坦化を行い、かつ電極８のみ露出させる
（図８（ｑ））。

【００３１】図９は探針形成までの製造工程を示したも
のであり、このうち図９（ｒ）は前記（ｑ）において形
成したパターンの平面図である。前記（ａ），（ｋ）の
平面図に対して６０°回転して図示してある。電極８を
除いて、他の電極は圧電体２によって覆われている。図
９（ｓ）は、前記（ｒ）における破線Ｂ−Ｂ’における
断面図である。先ず、前記（ｓ）の表面上へ金属薄膜２
６を蒸着により形成し（図９（ｔ））、フォトリソグラ
フによりパターンニングを行い引出し電極８を形成する
（図９（ｕ））。再びフォトレジスト２１を塗布し（図
９（ｖ））、前記（ｄ），（ｍ）と同様にパターンの露
光、現像を行う。これにより電極８の一部を円形に露出
させ、最終的な圧電体２の平面形状を残し、他のレジス
トを除去する（図９（ｗ））。更に、前記（ｅ），
（ｎ）と同様に電解メッキを行い、金属を析出させ探針
７を形成する（図９（ｘ））。このとき、電極８と底部
電極２０とは、電気的に接続されており、電流量により
高さを調節することができる。

【００３２】図１０は圧電体の加工と探針の先鋭化まで
の工程を示し、このうち図１０（ｙ）は前記（ｘ）の状
態における平面図である。最終的な変位素子の形状がレ
ジスト２１によりマスクされている。レジスト２１をマ
スクとしてエッチングにより圧電体２の加工を行い不要
部を除去する（図１０（ｚ））。側面に形成されている
電極３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂがサイドエッ
チング防止のためのマスクとなる。また圧電体２の酸化
亜鉛の結晶がＣ軸配向性の結晶であり、また柱状成長し
ているためエッチング速度の異方性を利用して高いアス
ペクト比で加工を行うことができる。図１０（イ）はレ
ジスト２１を除去した状態を示しており、その後、探針
７に電圧を印加し、エッチング液中での電解研磨法によ
り先端部の先鋭化を行う（図１０（ロ））。またこの
時、研磨量を調節することにより探針７の高さを調節す
ることもできる。

【００３３】以上説明したようにフォトリソグラフと電
解メッキ法を用いることにより立体的な構造を実現する
ことができる。また電解研磨に探針の高さを調節するこ
とができ、高さの均一な探針を形成することが可能とな
る。

【００３４】本実施例においては、形成の手段としてフ
ォトリソグラフ、電解メッキ、電解研磨、スパッタ蒸
着、真空蒸着等を用いているが、目的とする構造が得ら
れれば他の方法でもかまわない。

【００３５】圧電体２としてＺｎＯを、各電極及び探針
７としてＮｉを用いたが、これはこの材料に限定される
ものではなくＡｌＮやＡｕ等でも良い。

【００３６】またこのような構造を形成したのち、Ｓｉ
Ｏ₂やＳｉ₃Ｎ₄などの絶縁体薄膜をスパッタリング蒸着
等により表面上へ形成することにより、表面の絶縁性を
より高めることも可能である。

【００３７】作製した微小変位素子の各部の寸法と変位
性能の一例を以下に示す。

【００３８】圧電体２の高さ： ２０μｍ 圧電体２の外径： １０μｍ 圧電体２の厚さ： ３μｍ 探針７の高さ ： ５μｍ 印加電圧 ：± ５Ｖ 最大変位量 ：Ｘ−Ｙ方向 ０．２μｍ Ｚ方向 ０．１μｍ

【００３９】実施例２ 図１１は本発明に係る集積化アクチュエーターの一実施
例を示す斜視図である。同一のシリコン単結晶基板１の
表面上に前記実施例１における柱状構造をなす圧電体２
とその側面に設けた上、下の電極よりなる微小な変位体
１２を多数配置することにより集積化アクチュエーター
１０１を作製したものである。

【００４０】前記変位体１２上には鋭利な先端を有する
探針７が設けられており、それぞれＸＹＺ方向へ微小変
位させることによりトンネル電流を読みとることが可能
である。

【００４１】上記のような集積化アクチュエーターは、
実施例１で示した製造方法においてフォトリソグラフの
パターンを拡張することにより容易に形成することが可
能であり、多数のアクチュエーターを一回の工程で、し
かも高い寸法精度で形成することができる。

【００４２】本実施例で作製した集積化アクチュエータ
ーにおける主要部分の寸法等の一例を下記に示す。

【００４３】シリコン基板１ ：４０ｍｍ×４０ｍｍ×
１ｍｍ 圧電体２の高さ ：２０μｍ 圧電体２の外径 ：１０μｍ 探針７の高さ ： ５μｍ 変位体１２の個数：９０個 また本実施例では基板１としてシリコン単結晶を用いて
いるため変位体１２の駆動電圧印加用のトランジスタ
や、探針７からの信号を増幅するためのアンプ等の半導
体デバイスを同一基板内に集積化することも可能であ
る。

【００４４】実施例３ 図１２は本発明の第３の実施例であり、前記実施例１，
２で示された探針７を有する集積化アクチュエーターを
用いたＳＴＭ装置に用いたものの断面図である。

【００４５】図１２中において１０１は本発明の複数の
探針を備えた集積化アクチュエーターで、Ｚ軸粗動圧電
素子１０３に固定されており、Ｚ方向の粗動が可能であ
る。これにより、集積化アクチュエーター１０１を対向
する試料１０２の表面に探針７がトンネル電流を検知で
きる距離まで接近させることが出来る。

【００４６】Ｚ軸粗動圧電素子１０３が固定されている
固定部材１０４は、３本の傾き調整ねじ１０６で傾きを
調整でき、集積化アクチュエーター１０１と試料１０２
表面との平行度を補正する。１０５は平行ヒンジバネス
テージで、図１３の平面図のように平行ばねを２段に直
交させて組合わせた構造で中央に載せた試料１０２をＸ
Ｙ方向に自在に移動させることができる。その駆動は、
積層型圧電素子１０７，１０８で行っている。このよう
な構成にすれば集積化アクチュエーター１０１上の各々
の探針７にＸ方向への微動機構がついており、試料１０
２の表面の微少な凹凸に対して個々の探針７を独立に動
かして一定の距離に保ちながら、ＸＹ方向への走査が可
能となる。

【００４７】また探針７はＸ，Ｙ方向へも個別に微小変
位させることが可能であり、これにより個々の探針７の
ｘ−ｙ平面内での相対な位置の微少補正を行うことがで
き、これにより複数プローブの同時走査を精確に行うこ
とが可能となる。

【００４８】以上、本発明による集積化アクチュエータ
ーを用いることにより、広い面積からの表面のナノメー
トオーダーでの状態を高速で調べることが可能となっ
た。また試料１０２に電圧印加等により状態変化を生ず
る物質を用いれば大容量の情報処理装置として用いるこ
とも可能である。

【００４９】実施例４ 図１４に本発明の第４の実施例として情報処理装置を示
す。図１４中３０７は媒体の基板、３０８は金属電極
層、３０９は記録層である。２０１はＸＹステージ、２
０２は集積化アクチュエーター、２０３はカンチレバー
の支持体、２０４は集積化アクチュエーターをＺ方向に
駆動するリニアアクチュエーター、２０５，２０６はＸ
Ｙ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、２０７は記録・再生用のバイアス回路で
ある。３０１はプローブから記録層３０９を介して電極
層３０８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。３０２は集積化アクチュエーターを
Ｚ軸方向に移動させるためのサーボ回路であり、３０３
はアクチュエーター２０４を駆動するためのサーボ回路
である。３０４は複数のカンチレバーをＺ軸方向に動か
す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。３０６は、これらの操作を
制御するコンピューターである。

【００５０】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であり、ま
た、プローブを多数集積化したことにより記録・再生速
度を大きくすることができる。

【００５１】実施例５ 図１５に本発明の第５の実施例を示す。実施例１の断面
形状がＹ字形の柱状構造の代りに正三角形の構造とし
た。

【００５２】この三角中の各側面には、実施例１と同様
の電極３ｂ，４ｂ，５ｂと、その側面の下方に電極３
ａ，４ａ，５ａが設けられている。また上面には、図示
したように先鋭な先端を有する探針７とその引出し電極
８が形成されている。その他の構造は実施例１と同様で
ある。

【００５３】このような構造は、実施例１の製造工程に
おいてフォトリソグラフで用いるマスクのパターンを変
更するだけで実現することができる。

【００５４】このような断面形状とすることにより単位
電圧当り圧電体２に加わる電界は小さくなり、単位電圧
当りの変位量は小さくなるが、より耐久性のある変位体
を形成することができる。

【００５５】実施例６ 図１６に本発明の第６の実施例を示す。実施例１におけ
るＹ字形の断面形状と異なり十字形の断面に加工したも
のである。

【００５６】圧電体２の上面には探針７と引出し電極８
が設けられており、圧電体２の各側面の上部には、電極
３ｂ，４ｂ，５ｂ，６ｂが、下部には電極３ａ，４ａ，
５ａ，６ａが設けられている。このような構造は実施例
１においてフォトリソグラフを行う際のフォトマスクを
変更するだけで実現できる。

【００５７】圧電体の変形の原理は、実施例１と同様で
あるが、このように互いの電極がそれぞれ直向して配置
されることにより、圧電体２の変位量の制御がより容易
となる。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、結晶の圧電分極軸
を基板に対して垂直に配向させた柱状構造をなす圧電体
の各側面に上下２段の電極を設けることにより、ｘ，
ｙ，ｚの微小変位を可能とした。またこのような構造と
することにより、カンチレバー型の変位素子に比べ製造
時に反りやねじれが生じにくく多数の素子を均一に精度
良く作製できる。このため同一特性の変位素子を同一基
板上へ多数配置した集積化アクチュエーターを作製する
ことが可能となる。

【００５９】また各変位素子の上面に探針を設けること
によりマルチプローブのＳＴＭ装置を実現でき広範囲の
観察を高速で実現することが可能となった。

【００６０】またカンチレバー構造に比べ外部振動等の
影響を受けにくく、耐久性も向上した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による変位体の平面図である。

【図２】図１に示した変位体の斜視図である。

【図３】Ｘ・Ｙ方向への変形を示す斜視図である。

【図４】ｄ₁₅の変形の原理を示す。

【図５】Ｚ方向への変形を示す斜視図である。

【図６】ｄ₃₃の変形の原理を示す。

【図７】下部電極形成までの製造工程を示す。

【図８】上部電極形成までの製造工程を示す。

【図９】探針形成までの製造工程を示す。

【図１０】圧電体の加工と探針の先鋭化を示す。

【図１１】集積化アクチュエーターの斜視図である。

【図１２】ＳＴＭ装置の断面図である。

【図１３】ＳＴＭ装置の平面図である。

【図１４】情報処理装置の説明図である。

【図１５】実施例５における変位体の平面図である。

【図１６】実施例６における変位体の平面図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 圧電体 ３ａ，４ａ，５ａ，６ａ 側面下部の電極 ３ｂ，４ｂ，５ｂ，６ｂ 側面上部の電極 ７ 探針 ８ 引出し電極 ９ 圧電性分極軸 １０，１１ 変位方向 １２ 変位体 ２０ 底部電極 ２１ フォトレジスト ２５ 下地電極 １０１ 集積化アクチュエーター １０２ 試料 １０３ 粗動用圧電素子 １０７，１０８ 積層型圧電素子 ２０２ 集積化アクチュエーター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八木 隆行 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２−44787（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−98033（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−129396（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−25497（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−21298（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−161552（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−161553（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/08 H01L 41/18 G01B 7/34 G11B 9/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 変位素子を同一基板上に複数集積化した
   集積化アクチュエーターの製造方法において、 基板上に主面が基板面に対して垂直な電極を形成する第
   １の工程と、 前記基板上に前記電極を覆うように圧電体層を形成する
   第２の工程と、 前記圧電体層上面を平坦化し、前記電極の一部を露出さ
   せる第３の工程と、 前記平坦化された圧電体層上に主面が基板面に対して垂
   直な電極を形成する第４の工程と、 前記電極を覆うように圧電体層を形成する第５の工程
   と、 前記圧電体層上面を平坦化し、前記電極の一部を露出さ
   せる第６の工程と、 変位素子を構成する圧電体層以外の基板上の圧電地層を
   除去する第７の工程とを含むことを特徴とする集積化ア
   クチュエーターの製造方法。
2. 【請求項２】 前記第１の工程において一部の電極の高
   さを低く形成すると共に、前記第２及び３の工程におい
   て前記一部の電極を圧電体層に埋没した状態として形成
   することを特徴とする請求項１に記載の集積化アクチュ
   エーターの製造方法。