JP3148946B2 - 探針駆動機構並びに該機構を用いたトンネル電流検出装置、情報処理装置、圧電式アクチュエータ - Google Patents
探針駆動機構並びに該機構を用いたトンネル電流検出装置、情報処理装置、圧電式アクチュエータInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、試料の表面観察或いは
記録媒体を用いた記録・再生に用いられる、探針駆動機
構及び該機構を用いたトンネル電流検出装置、情報処理
装置、圧電式アクチュエータに関するものである。
記録媒体を用いた記録・再生に用いられる、探針駆動機
構及び該機構を用いたトンネル電流検出装置、情報処理
装置、圧電式アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体或いは高分子材料等の原
子、分子オーダーの観察評価、微細加工、及び記録装置
等の様々な分野への走査型トンネル顕微鏡（以下「ＳＴ
Ｍ」と記す）の応用が研究されている。
子、分子オーダーの観察評価、微細加工、及び記録装置
等の様々な分野への走査型トンネル顕微鏡（以下「ＳＴ
Ｍ」と記す）の応用が研究されている。
【０００３】中でも、コンピューターの計算情報や映像
情報等では大容量を有する記録装置が要求され、ＳＴＭ
手法の応用に対する要望がますます高まっており、さら
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ために記録装置の小
型化が望まれている。これらの要求を満たす目的で、記
録媒体との間隔の微調整が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を用い、該
変換器から電圧を印加し、記録媒体表面の仕事関数を変
化させることにより記録書き込みし、或いは仕事関数の
変化によるトンネル電流の変化を検知することにより情
報の読み出しを行ない、最小記録面積が１０ｎｍ平方と
なる記録再生装置が提案されている（特開昭６３−１６
１５５２号公報等）。
情報等では大容量を有する記録装置が要求され、ＳＴＭ
手法の応用に対する要望がますます高まっており、さら
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ために記録装置の小
型化が望まれている。これらの要求を満たす目的で、記
録媒体との間隔の微調整が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を用い、該
変換器から電圧を印加し、記録媒体表面の仕事関数を変
化させることにより記録書き込みし、或いは仕事関数の
変化によるトンネル電流の変化を検知することにより情
報の読み出しを行ない、最小記録面積が１０ｎｍ平方と
なる記録再生装置が提案されている（特開昭６３−１６
１５５２号公報等）。
【０００４】一般に、データ転送速度、及びデータ記録
速度を向上させるためにはプローブの数を増やす必要が
ある。この際、上述した装置においてはプローブと媒体
との間隔を調整しつつ、記録データ列上を走行すること
になるが、記録したデータ列の幅が非常に細く、装置の
温度変化によるドリフト、外部からの振動などの影響に
よるプローブのデータ列からのはずれ等により安定した
記録再生が困難になる。従って各プローブが独立に、媒
体面に平行な方位を垂直な方位に高速に変位することが
要求される。
速度を向上させるためにはプローブの数を増やす必要が
ある。この際、上述した装置においてはプローブと媒体
との間隔を調整しつつ、記録データ列上を走行すること
になるが、記録したデータ列の幅が非常に細く、装置の
温度変化によるドリフト、外部からの振動などの影響に
よるプローブのデータ列からのはずれ等により安定した
記録再生が困難になる。従って各プローブが独立に、媒
体面に平行な方位を垂直な方位に高速に変位することが
要求される。
【０００５】この要求を満足させるために、例えば、Ｗ
Ｏ８９／０７２５６には図６の様な圧電体層５、７と電
極層４、６、８を積層したカンチレバーが提案されてい
る。該カンチレバーはシリコン酸化膜よりなる絶縁層１
１を成膜パターニングし、次いでＳｉ基板１を異方性エ
ッチングによってシリコンメンブレン１０を形成してい
る。
Ｏ８９／０７２５６には図６の様な圧電体層５、７と電
極層４、６、８を積層したカンチレバーが提案されてい
る。該カンチレバーはシリコン酸化膜よりなる絶縁層１
１を成膜パターニングし、次いでＳｉ基板１を異方性エ
ッチングによってシリコンメンブレン１０を形成してい
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例ではシリコンメンブレン１０と絶縁層１１のエッチ
ングの際にＳｉ基板１のサイドエッチングを抑えるため
に絶縁層１１の膜厚を薄くする必要がある。そのため下
電極４とＳｉ基板１で無視できない容量が発生し、基板
を介して他の電極と接続し、図７の様な等価回路にな
る。
来例ではシリコンメンブレン１０と絶縁層１１のエッチ
ングの際にＳｉ基板１のサイドエッチングを抑えるため
に絶縁層１１の膜厚を薄くする必要がある。そのため下
電極４とＳｉ基板１で無視できない容量が発生し、基板
を介して他の電極と接続し、図７の様な等価回路にな
る。
【０００７】通常カンチレバーの駆動周波数はカンチレ
バーの大きさ、層構成で決まる共振周波数で制限される
が、さらに従来例では圧電体層５、７による容量と上述
の寄生容量による時定数の増大によっても制限され媒体
とプローブの間隔の調整ができず、書き込み読み出しの
誤動作を生じる。また、複数プローブ構成の場合は駆動
電極の配線長が各々のプローブで異なるためこれによる
寄生容量も大きくばらつく。従って、これがカンチレバ
ーの駆動特性のバラツキとなる。
バーの大きさ、層構成で決まる共振周波数で制限される
が、さらに従来例では圧電体層５、７による容量と上述
の寄生容量による時定数の増大によっても制限され媒体
とプローブの間隔の調整ができず、書き込み読み出しの
誤動作を生じる。また、複数プローブ構成の場合は駆動
電極の配線長が各々のプローブで異なるためこれによる
寄生容量も大きくばらつく。従って、これがカンチレバ
ーの駆動特性のバラツキとなる。
【０００８】また、以上の問題を回避するために電極下
の絶縁層を厚くし、寄生容量を小さくする様な工程にし
た場合、図６の絶縁層１１をエッチングする際、Ｓｉが
等方的にエッチングされ、絶縁層厚さの１０倍以上サイ
ド方向にエッチングが進むためカンチレバー形状の制御
性が悪くなる。
の絶縁層を厚くし、寄生容量を小さくする様な工程にし
た場合、図６の絶縁層１１をエッチングする際、Ｓｉが
等方的にエッチングされ、絶縁層厚さの１０倍以上サイ
ド方向にエッチングが進むためカンチレバー形状の制御
性が悪くなる。
【０００９】本発明の目的は、カンチレバーと支持体と
の間で発生する寄生容量を低減してカンチレバーの応答
性を改善すると共に、カンチレバー製造時の不要なエッ
チングを防止した新規な圧電式アクチュエータ、探針駆
動機構を提供することにある。
の間で発生する寄生容量を低減してカンチレバーの応答
性を改善すると共に、カンチレバー製造時の不要なエッ
チングを防止した新規な圧電式アクチュエータ、探針駆
動機構を提供することにある。
【００１０】また本発明の目的は、係る探針駆動機構を
用いて、精度及び応答性を改善したトンネル電流検出装
置、記録・再生・消去機能を有する情報処理装置を提供
することにある。
用いて、精度及び応答性を改善したトンネル電流検出装
置、記録・再生・消去機能を有する情報処理装置を提供
することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明の第１の
態様は、圧電体薄膜と、これを挟持する電極を有するバ
イモルフカンチレバーであって、該カンチレバーの一端
が支持体の表面に支持され、且つその他端に情報入出力
用のプローブを備えた探針駆動機構において、支持体と
カンチレバーとの間に設けられた絶縁層の膜厚が少なく
とも５０００Åであることを特徴とする探針駆動機構で
ある。
態様は、圧電体薄膜と、これを挟持する電極を有するバ
イモルフカンチレバーであって、該カンチレバーの一端
が支持体の表面に支持され、且つその他端に情報入出力
用のプローブを備えた探針駆動機構において、支持体と
カンチレバーとの間に設けられた絶縁層の膜厚が少なく
とも５０００Åであることを特徴とする探針駆動機構で
ある。
【００１２】本発明第２の態様は、上記探針駆動機構が
少なくとも２個以上２次元配置されていることを特徴と
するマルチ探針駆動機構である。
少なくとも２個以上２次元配置されていることを特徴と
するマルチ探針駆動機構である。
【００１３】本発明第３の態様は、上記探針駆動機構を
電気導電体に対向配置し、該探針駆動機構を駆動するた
めの駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段を設け、
電気導電体をプローブとの間に電圧を印加する手段、両
者間に流れるトンネル電流を検出するための手段及び該
トンネル電流の検出に基づき、電気導電体表面の情報を
出力する手段を備えたことを特徴とするトンネル電流検
出装置である。
電気導電体に対向配置し、該探針駆動機構を駆動するた
めの駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段を設け、
電気導電体をプローブとの間に電圧を印加する手段、両
者間に流れるトンネル電流を検出するための手段及び該
トンネル電流の検出に基づき、電気導電体表面の情報を
出力する手段を備えたことを特徴とするトンネル電流検
出装置である。
【００１４】本発明第４の態様は、上記探針駆動機構を
記録媒体に対向配置し、該探針駆動機構を駆動するため
の駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段を設け、記
録媒体とプローブとの間に情報記録用パルス電圧を印加
するための手段を備えたことを特徴とする情報処理装置
である。
記録媒体に対向配置し、該探針駆動機構を駆動するため
の駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段を設け、記
録媒体とプローブとの間に情報記録用パルス電圧を印加
するための手段を備えたことを特徴とする情報処理装置
である。
【００１５】本発明第５の態様は、上記探針駆動機構を
記録媒体に対向配置し、該探針駆動機構を駆動するため
の駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段を設け、記
録媒体とプローブとの間に情報再生用バイアス電圧を印
加するための手段を備えたことを特徴とする情報処理装
置である。
記録媒体に対向配置し、該探針駆動機構を駆動するため
の駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段を設け、記
録媒体とプローブとの間に情報再生用バイアス電圧を印
加するための手段を備えたことを特徴とする情報処理装
置である。
【００１６】本発明第６の態様は、上記探針駆動機構を
記録媒体に対向配置し、該探針駆動機構を駆動するため
の駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段を設け、記
録媒体とプローブとの間に情報記録用パルス電圧を印加
するための手段と情報再生用バイアス電圧を印加するた
めの手段とを備えたことを特徴とする情報処理装置であ
る。
記録媒体に対向配置し、該探針駆動機構を駆動するため
の駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段を設け、記
録媒体とプローブとの間に情報記録用パルス電圧を印加
するための手段と情報再生用バイアス電圧を印加するた
めの手段とを備えたことを特徴とする情報処理装置であ
る。
【００１７】本発明第７の態様は、圧電体薄膜と、これ
を挟持する電極を有するバイモルフカンチレバーであっ
て、該カンチレバーの一端が支持体の表面に支持され、
支持体とカンチレバーとの間及び支持体の裏面に絶縁層
を有し且つ支持体とカンチレバーとの間に設けられた絶
縁層の膜厚が少なくとも５０００Åであることを特徴と
する圧電式アクチュエータである。
を挟持する電極を有するバイモルフカンチレバーであっ
て、該カンチレバーの一端が支持体の表面に支持され、
支持体とカンチレバーとの間及び支持体の裏面に絶縁層
を有し且つ支持体とカンチレバーとの間に設けられた絶
縁層の膜厚が少なくとも５０００Åであることを特徴と
する圧電式アクチュエータである。
【００１８】本発明では、カンチレバー部の剛性を低く
し、且つ支持体上に絶縁層を厚く設けることにより、寄
生容量を低くし、且つカンチレバーの駆動特性を高める
ことを可能にしたものである。
し、且つ支持体上に絶縁層を厚く設けることにより、寄
生容量を低くし、且つカンチレバーの駆動特性を高める
ことを可能にしたものである。
【００１９】この絶縁層の膜厚は、少なくとも５０００
Åは必要であり、１μｍ以上であれば更に好ましい。
Åは必要であり、１μｍ以上であれば更に好ましい。
【００２０】また、上記本発明の探針駆動機構のさらに
好ましい態様としては、支持体の裏面に絶縁層を有す
る、支持体とカンチレバーとの間に、２層の絶縁層を有
し、支持体に接する絶縁層の膜厚が少なくとも５０００
Åである、支持体に接する絶縁層が、耐異方性エッチン
グを有する材料からなる、或いはシリコン酸化膜を含
み、カンチレバーに接する絶縁層がシリコンナイトライ
ド膜を含み、支持体の裏面に接する絶縁層がシリコン酸
化膜を含み、支持体がシリコンからなる。また、本発明
の情報処理装置においては、記録媒体が、電気メモリー
効果を有する、或いは記録媒体の表面が非導電性である
ことが望ましい。
好ましい態様としては、支持体の裏面に絶縁層を有す
る、支持体とカンチレバーとの間に、２層の絶縁層を有
し、支持体に接する絶縁層の膜厚が少なくとも５０００
Åである、支持体に接する絶縁層が、耐異方性エッチン
グを有する材料からなる、或いはシリコン酸化膜を含
み、カンチレバーに接する絶縁層がシリコンナイトライ
ド膜を含み、支持体の裏面に接する絶縁層がシリコン酸
化膜を含み、支持体がシリコンからなる。また、本発明
の情報処理装置においては、記録媒体が、電気メモリー
効果を有する、或いは記録媒体の表面が非導電性である
ことが望ましい。
【００２１】
【実施例】以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、
本発明がこれらに限定されるものではない。
本発明がこれらに限定されるものではない。
【００２２】実施例１ 図１は本発明によるカンチレバーと引出電極部構成の断
面図である。カンチレバーは圧電体層５、７と駆動用電
極層４、６、８とで構成され、カンチレバー自由端には
ティップ９が積載されトンネル電流引出用電極は上電極
８形成時に同時に形成される。図１では中、上電極６、
８が途中で切断されているが、実際にはボンディングパ
ッドまでの長い距離に渡って配線される。
面図である。カンチレバーは圧電体層５、７と駆動用電
極層４、６、８とで構成され、カンチレバー自由端には
ティップ９が積載されトンネル電流引出用電極は上電極
８形成時に同時に形成される。図１では中、上電極６、
８が途中で切断されているが、実際にはボンディングパ
ッドまでの長い距離に渡って配線される。
【００２３】次に本発明による構成と効果を図２の製造
工程図に従って説明する。
工程図に従って説明する。
【００２４】図２（ａ）に示す如く（１００）Ｓｉ基板
１に容易に厚膜を得ることができるので熱酸化炉で１μ
ｍ以上のシリコン酸化膜３を成膜し、表面は支持体部１
３のみにシリコン酸化膜が残るように、両面をパターニ
ングする。シリコン酸化膜３のパターニングは図２
（ｃ）の工程で成膜する下電極４として比較的薄い層を
用いた場合にシリコン酸化膜のエッジ部１２が急峻にな
ると下電極４のカバーレージが悪くなるのでＨＦ系の水
溶液等の等方的エッチングによることが望ましい。その
後ＬＰＣＶＤ装置でＳｉＨ2Ｃｌ2とＮＨ3ガスの気相成
長によってシリコンナイトライド膜２を１０００〜１５
００Å成膜し、裏面のみパターニングする。この際シリ
コンナイトライド膜２を成膜するかわりに、再度熱酸化
炉でシリコン酸化膜を成膜しても良い。
１に容易に厚膜を得ることができるので熱酸化炉で１μ
ｍ以上のシリコン酸化膜３を成膜し、表面は支持体部１
３のみにシリコン酸化膜が残るように、両面をパターニ
ングする。シリコン酸化膜３のパターニングは図２
（ｃ）の工程で成膜する下電極４として比較的薄い層を
用いた場合にシリコン酸化膜のエッジ部１２が急峻にな
ると下電極４のカバーレージが悪くなるのでＨＦ系の水
溶液等の等方的エッチングによることが望ましい。その
後ＬＰＣＶＤ装置でＳｉＨ2Ｃｌ2とＮＨ3ガスの気相成
長によってシリコンナイトライド膜２を１０００〜１５
００Å成膜し、裏面のみパターニングする。この際シリ
コンナイトライド膜２を成膜するかわりに、再度熱酸化
炉でシリコン酸化膜を成膜しても良い。
【００２５】次に図２（ｂ）に示す如くＳｉの異方性エ
ッチング例えばＫＯＨ水溶液を加熱し、後にカンチレバ
ーとなる領域をエッチングし数１０μｍ厚のシリコンメ
ンブレン１０を形成する。更に図２（ｃ）に示す如く、
下電極４を１０００Å程度成膜し、圧電体５を成膜し、
同様の操作で中電極６、圧電体層７、上電極８を順に積
層し、ティップ９を形成する。次に表面を１０μｍ以上
コーティングしシリコンメンブレン１０及びシリコンナ
イトライド膜２をＫＯＨ水溶液等による異方性エッチン
グ或いはＣＦ4、ＳＦ6等のガスによるプラズマエッチン
グによって除去し、さらにＣＦ4、ＳＦ6等のガスによる
プラズマエッチングによってコーティングを除去するこ
とによって図１の様な構成のカンチレバーが得られる。
ッチング例えばＫＯＨ水溶液を加熱し、後にカンチレバ
ーとなる領域をエッチングし数１０μｍ厚のシリコンメ
ンブレン１０を形成する。更に図２（ｃ）に示す如く、
下電極４を１０００Å程度成膜し、圧電体５を成膜し、
同様の操作で中電極６、圧電体層７、上電極８を順に積
層し、ティップ９を形成する。次に表面を１０μｍ以上
コーティングしシリコンメンブレン１０及びシリコンナ
イトライド膜２をＫＯＨ水溶液等による異方性エッチン
グ或いはＣＦ4、ＳＦ6等のガスによるプラズマエッチン
グによって除去し、さらにＣＦ4、ＳＦ6等のガスによる
プラズマエッチングによってコーティングを除去するこ
とによって図１の様な構成のカンチレバーが得られる。
【００２６】以上の様に形成されたカンチレバーの、本
発明の構成による利点は次の通りである。
発明の構成による利点は次の通りである。
【００２７】前述した様に、図６の如き従来型の構成に
よると、図７の等価回路に示される望ましくない寄生容
量ｃ1、ｃ2が存在する。ここでｃは圧電体の容量、
ｒ1、ｒ2は配線抵抗、ｒ3は基板の抵抗を表す。
よると、図７の等価回路に示される望ましくない寄生容
量ｃ1、ｃ2が存在する。ここでｃは圧電体の容量、
ｒ1、ｒ2は配線抵抗、ｒ3は基板の抵抗を表す。
【００２８】以上の条件で本発明（図１）と従来技術
（図６）のｃ、ｃ1、ｃ2を比較する。条件 ＳｉＯ2３の厚さ（本発明のみ） １μｍ Ｓｉ3Ｎ4２（従来例では絶縁層１１に該当）の厚さ ０．１５μｍ 圧電体５、７の厚さ ０．３μｍ カンチレバー９の大きさ ３００μｍ×１００μｍ 配線 ５μｍ幅×５ｍｍ長 Ｓｉ3Ｎ4の誘電率 １．０×１０-10（Ｆ／ｍ） ＳｉＯ2の誘電率 ３．５×１０-11（ 〃 ） ＺｎＯの誘電率 １．１×１０-10（ 〃 ）
（図６）のｃ、ｃ1、ｃ2を比較する。条件 ＳｉＯ2３の厚さ（本発明のみ） １μｍ Ｓｉ3Ｎ4２（従来例では絶縁層１１に該当）の厚さ ０．１５μｍ 圧電体５、７の厚さ ０．３μｍ カンチレバー９の大きさ ３００μｍ×１００μｍ 配線 ５μｍ幅×５ｍｍ長 Ｓｉ3Ｎ4の誘電率 １．０×１０-10（Ｆ／ｍ） ＳｉＯ2の誘電率 ３．５×１０-11（ 〃 ） ＺｎＯの誘電率 １．１×１０-10（ 〃 ）
【００２９】 寄生容量 従来 本発明 ｃ １１ｐＦ １１ｐＦ ｃ1 １６．５ｐＦ ０．７ｐＦ ｃ2 ５．９ｐＦ ０．７ｐＦ ｃ’ ４．３ｐＦ ０．４ｐＦ （ｃ’はｃ1とｃ2の合成）
【００３０】以上の比較より明らか様に従来例ではカン
チレバー本体に対し配線からの寄生分がほぼ４０％
（ｃ’／ｃ）にもなるのに対し、本発明のｃ’はその１
／１０以下と非常に低い。図４の様なマルチプローブの
場合にはプローブ間での配線長が異なるため、各々のプ
ローブの寄生容量や基板抵抗が大幅に異なることになり
カンチレバーの駆動に大きなバラツキが生じることにな
る。しかし、本発明によれば寄生容量そのものが小さい
ので配線長のバラツキによる寄生分のバラツキが減少さ
れる。即ち、各カンチレバーの特性のバラツキを大幅に
抑えることが可能となるのである。
チレバー本体に対し配線からの寄生分がほぼ４０％
（ｃ’／ｃ）にもなるのに対し、本発明のｃ’はその１
／１０以下と非常に低い。図４の様なマルチプローブの
場合にはプローブ間での配線長が異なるため、各々のプ
ローブの寄生容量や基板抵抗が大幅に異なることになり
カンチレバーの駆動に大きなバラツキが生じることにな
る。しかし、本発明によれば寄生容量そのものが小さい
ので配線長のバラツキによる寄生分のバラツキが減少さ
れる。即ち、各カンチレバーの特性のバラツキを大幅に
抑えることが可能となるのである。
【００３１】実施例２ 基本的な構成と効果については実施例１に同じである
が、製法についての他の例を図３を用いて説明する。
が、製法についての他の例を図３を用いて説明する。
【００３２】シリコン基板１に対しＬＰＣＶＤ装置を用
いて８００℃程度加熱しＳｉＨ2Ｃｌ2とＮＨ3を反応さ
せ、シリコンナイトライド膜２を１０００〜１５００Å
成膜し、シリコンメンブレン１０領域形成のため裏面を
パターニングし、エッチングする。次に常圧ＣＶＤ装置
を用いて４００〜４５０℃程度に加熱しＳｉＨ4とＯ2を
反応させシリコン酸化膜３を表面のみに成膜しパターニ
ング、エッチングし、図３の様な構成を得る。後の工程
は実施例１に同じである。
いて８００℃程度加熱しＳｉＨ2Ｃｌ2とＮＨ3を反応さ
せ、シリコンナイトライド膜２を１０００〜１５００Å
成膜し、シリコンメンブレン１０領域形成のため裏面を
パターニングし、エッチングする。次に常圧ＣＶＤ装置
を用いて４００〜４５０℃程度に加熱しＳｉＨ4とＯ2を
反応させシリコン酸化膜３を表面のみに成膜しパターニ
ング、エッチングし、図３の様な構成を得る。後の工程
は実施例１に同じである。
【００３３】尚、シリコンメンブレン１０を形成する工
程をシリコン酸化膜３を成膜する前に実施しても同様な
結果を得ることができる。
程をシリコン酸化膜３を成膜する前に実施しても同様な
結果を得ることができる。
【００３４】実施例３ 次に、本発明の他の実施例として、前記探針駆動機構を
用いた情報処理装置の一例である記録再生装置の説明を
行なう。図５は、本実施例の記録再生装置の概略図であ
る。１０１は、本発明の探針駆動機構１０２を複数設け
たシリコン基板、１０５は、シリコン基板をＺ方向に駆
動する粗動用圧電素子、１０３は板状の記録媒体、１０
４は探針駆動機構の走査可能領域で決まる記録エリアを
一列に並べたデータ列である。記録媒体１０３は、不図
示の移動機構により、図中矢印の方向に並進移動され、
記録エリアは列状に記録される。探針駆動機構１０２と
Ｚ方向粗動用圧電素子１０５は、不図示のリニアモータ
などの移動機構によりデータ列と直行する方向に移動可
能な様に構成され、任意のデータ列にアクセスし、デー
タの記録再生を行なうことができる。その際、目標とす
るデータ列までのアクセスは、リニアエンコーダーなど
の位置検出装置により行なわれ、その後、探針駆動機構
１０２の各々の探針は、目標のデータ列の各々の記録エ
リア内を走査する。
用いた情報処理装置の一例である記録再生装置の説明を
行なう。図５は、本実施例の記録再生装置の概略図であ
る。１０１は、本発明の探針駆動機構１０２を複数設け
たシリコン基板、１０５は、シリコン基板をＺ方向に駆
動する粗動用圧電素子、１０３は板状の記録媒体、１０
４は探針駆動機構の走査可能領域で決まる記録エリアを
一列に並べたデータ列である。記録媒体１０３は、不図
示の移動機構により、図中矢印の方向に並進移動され、
記録エリアは列状に記録される。探針駆動機構１０２と
Ｚ方向粗動用圧電素子１０５は、不図示のリニアモータ
などの移動機構によりデータ列と直行する方向に移動可
能な様に構成され、任意のデータ列にアクセスし、デー
タの記録再生を行なうことができる。その際、目標とす
るデータ列までのアクセスは、リニアエンコーダーなど
の位置検出装置により行なわれ、その後、探針駆動機構
１０２の各々の探針は、目標のデータ列の各々の記録エ
リア内を走査する。
【００３５】前記記録媒体１０３としては、電流−電圧
特性においてメモリ−スイッチング現象（電気メモリー
効果）を有する材料、例えば、特開昭６３−１６１５５
２号公報に記載されているように、π電子準位をもつ群
とσ電子準位のみを有する群を併有する分子を電極上に
積層した有機単分子膜或いはその累積膜を用いることが
可能となる。電気メモリー効果は前記の有機単分子膜、
その累積膜等の薄膜を一対の電極間に配置させた状態で
それぞれ異なる２つ以上の導電率を示す状態（図８ＯＮ
状態、ＯＦＦ状態）へ遷移させることが可能なしきい値
を超えた電圧を印加することにより可逆的に低抵抗状態
（ＯＮ状態）及び高抵抗状態（ＯＦＦ状態）へ遷移（ス
イッチング）させることができる。またそれぞれの状態
は電圧を印加しなくとも保持（メモリー）しておくこと
ができる。
特性においてメモリ−スイッチング現象（電気メモリー
効果）を有する材料、例えば、特開昭６３−１６１５５
２号公報に記載されているように、π電子準位をもつ群
とσ電子準位のみを有する群を併有する分子を電極上に
積層した有機単分子膜或いはその累積膜を用いることが
可能となる。電気メモリー効果は前記の有機単分子膜、
その累積膜等の薄膜を一対の電極間に配置させた状態で
それぞれ異なる２つ以上の導電率を示す状態（図８ＯＮ
状態、ＯＦＦ状態）へ遷移させることが可能なしきい値
を超えた電圧を印加することにより可逆的に低抵抗状態
（ＯＮ状態）及び高抵抗状態（ＯＦＦ状態）へ遷移（ス
イッチング）させることができる。またそれぞれの状態
は電圧を印加しなくとも保持（メモリー）しておくこと
ができる。
【００３６】また記録媒体１０３として、あるしきい値
以上の電圧を印加すると表面が局所的に溶融または蒸発
して、表面形状が凹又は凸に変化する材料、例えば、Ａ
ｕ、Ｐｔなどの金属薄膜を用いても良い。
以上の電圧を印加すると表面が局所的に溶融または蒸発
して、表面形状が凹又は凸に変化する材料、例えば、Ａ
ｕ、Ｐｔなどの金属薄膜を用いても良い。
【００３７】次に、記録再生の方法を説明する。
【００３８】先ず、記録方法は、Ｚ方向粗動用圧電素子
１０５と探針駆動機構１０２が移動機構により記録位置
に移動し、記録媒体１０３のあるしきい値を超える電圧
を印加することにより行なう。その際、記録媒体１０３
には、バイアス回路１０６によりバイアス電圧が加えら
れ、探針は記録媒体１０３に対してトンネル電流が流れ
る距離に保たれている。その接近は、Ｚ方向粗動用圧電
素子１０５により、近傍まで近づけ、後は複数有る探針
駆動機構１０２で各々の探針毎にトンネル領域に引き込
まれる。その引き込みは各探針に対応したトンネル電流
検出回路１０７により検出されたトンネル電流を各々の
探針駆動機構１０２のＺ方向サーボ回路１１０を通して
フィードバックすることにより、各探針と記録媒体間を
一定距離に制御している。その時、Ｚ方向サーボ回路１
１０にはローパスフィルターが設けられ、そのカットオ
フ周波数はデータ信号には追従せず、記録媒体の面振
れ、表面のうねりに追従できるように選ばれ、探針と記
録媒体の平均距離が一定となる様に制御される。
１０５と探針駆動機構１０２が移動機構により記録位置
に移動し、記録媒体１０３のあるしきい値を超える電圧
を印加することにより行なう。その際、記録媒体１０３
には、バイアス回路１０６によりバイアス電圧が加えら
れ、探針は記録媒体１０３に対してトンネル電流が流れ
る距離に保たれている。その接近は、Ｚ方向粗動用圧電
素子１０５により、近傍まで近づけ、後は複数有る探針
駆動機構１０２で各々の探針毎にトンネル領域に引き込
まれる。その引き込みは各探針に対応したトンネル電流
検出回路１０７により検出されたトンネル電流を各々の
探針駆動機構１０２のＺ方向サーボ回路１１０を通して
フィードバックすることにより、各探針と記録媒体間を
一定距離に制御している。その時、Ｚ方向サーボ回路１
１０にはローパスフィルターが設けられ、そのカットオ
フ周波数はデータ信号には追従せず、記録媒体の面振
れ、表面のうねりに追従できるように選ばれ、探針と記
録媒体の平均距離が一定となる様に制御される。
【００３９】記録時には、制御回路１１２から記録信号
がパルス印加回路１０８に送られ、各探針にパルス電圧
として印加され、記録が行なわれる。
がパルス印加回路１０８に送られ、各探針にパルス電圧
として印加され、記録が行なわれる。
【００４０】その際、パルス印加により探針と記録媒体
の距離が変化しないようにＺ方向サーボ回路１１０に
は、ホールド回路を設けて、パルス電圧が印加されてい
る探針駆動機構１０２の駆動電圧を保持する。
の距離が変化しないようにＺ方向サーボ回路１１０に
は、ホールド回路を設けて、パルス電圧が印加されてい
る探針駆動機構１０２の駆動電圧を保持する。
【００４１】そのとき、データ列１０４の記録エリア内
には記録ビットがマトリクス状に記録される。各々の記
録ビット列には、アドレス情報が挿入されており、再生
時のデータの識別を行なう。
には記録ビットがマトリクス状に記録される。各々の記
録ビット列には、アドレス情報が挿入されており、再生
時のデータの識別を行なう。
【００４２】次に再生方法について説明する。
【００４３】再生時には探針は、移動機構により所望の
データ列１０４の記録エリア上に移動し、記録媒体１０
３の表面との間のトンネル電流の記録部と非記録部の変
化分を検出し再生を行なう。そのとき探針駆動機構１０
２はＸＹ位置制御回路１０９により制御され、探針が記
録エリアの全域を走査するように駆動される。１つの記
録エリア内の再生信号は、トンネル電流検出回路１０７
を通し、制御回路１１２で信号処理して一時的に記憶さ
れ、その中から所望のデータのみが再生出力される。
データ列１０４の記録エリア上に移動し、記録媒体１０
３の表面との間のトンネル電流の記録部と非記録部の変
化分を検出し再生を行なう。そのとき探針駆動機構１０
２はＸＹ位置制御回路１０９により制御され、探針が記
録エリアの全域を走査するように駆動される。１つの記
録エリア内の再生信号は、トンネル電流検出回路１０７
を通し、制御回路１１２で信号処理して一時的に記憶さ
れ、その中から所望のデータのみが再生出力される。
【００４４】このような記録再生装置において探針駆動
機構を前記実施例の様な構成とすることにより、１つの
探針で走査できる領域が広がり、１つの記録エリアが大
きくなり、全体として記録密度を挙げることができる。
機構を前記実施例の様な構成とすることにより、１つの
探針で走査できる領域が広がり、１つの記録エリアが大
きくなり、全体として記録密度を挙げることができる。
【００４５】実施例４ 実施例１のカンチレバー型プローブを用いたＳＴＭ装置
を作製した。装置のブロック図は図５と同様である。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）基板のへき開面を、バイアス電流１ｎＡ、ス
キャンエリア１００Å×１００Åで観察したところ、良
好な原子像を得ることができた。
を作製した。装置のブロック図は図５と同様である。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）基板のへき開面を、バイアス電流１ｎＡ、ス
キャンエリア１００Å×１００Åで観察したところ、良
好な原子像を得ることができた。
【００４６】また、スキャンエリア５００Å×５００Å
で同様にＨＯＰＧ基板の表面の小さい段差を観察した
後、プローブを基板から離し、再度観察を行なったとこ
ろ再現性良く、同じ場所で段差が観察された。
で同様にＨＯＰＧ基板の表面の小さい段差を観察した
後、プローブを基板から離し、再度観察を行なったとこ
ろ再現性良く、同じ場所で段差が観察された。
【００４７】実施例５ 本実施例においては、インクジェットヘッドに応用する
ために圧電式アクチュエータを複数個横に並べて作製し
た。断面の概略図を図９（ａ）に、その斜視図を図９
（ｂ）にそれぞれ示す。
ために圧電式アクチュエータを複数個横に並べて作製し
た。断面の概略図を図９（ａ）に、その斜視図を図９
（ｂ）にそれぞれ示す。
【００４８】ティップの形成を除き、しかも基板の除去
工程の直前まで、実施例１と同様の操作を行なって圧電
式アクチュエータを作製した。次に、ノズル付き基板２
８に複数のノズル開口部２９を形成した。更にスペーサ
２７を形成した。スペーサ２７には貴金属などの導電体
薄板を用い、各圧電式アクチュエータの上部電極８を短
絡して接続できるようにしたと同時に、引出電極の役割
を兼ねるようにした。また、各圧電式アクチュエータの
下部電極には、不図示の引出電極より個別に印加できる
ようにした。
工程の直前まで、実施例１と同様の操作を行なって圧電
式アクチュエータを作製した。次に、ノズル付き基板２
８に複数のノズル開口部２９を形成した。更にスペーサ
２７を形成した。スペーサ２７には貴金属などの導電体
薄板を用い、各圧電式アクチュエータの上部電極８を短
絡して接続できるようにしたと同時に、引出電極の役割
を兼ねるようにした。また、各圧電式アクチュエータの
下部電極には、不図示の引出電極より個別に印加できる
ようにした。
【００４９】続いて位置合わせの後、圧電式アクチュエ
ータを形成した基板１とノズル付き基板２８を貼り合わ
せた。最後に実施例１に示す様に、水酸化カリウム水溶
液を用いて基板の異方性エッチングにより圧電式アクチ
ュエータの片端部を除いて圧電式アクチュエータ下部の
基板を除去して作製した。
ータを形成した基板１とノズル付き基板２８を貼り合わ
せた。最後に実施例１に示す様に、水酸化カリウム水溶
液を用いて基板の異方性エッチングにより圧電式アクチ
ュエータの片端部を除いて圧電式アクチュエータ下部の
基板を除去して作製した。
【００５０】このようにして作製したインクジェットヘ
ッドにおいては、下部電極４に印加した電圧による圧電
式アクチュエータの自由端部の図中上下方向への変位に
より、ノズル開口部２９付近のインクの圧力が高まり、
ノズル開口部２９よりインクを吐出させることができ
る。このような電圧印加を、複数の圧電式アクチュエー
タそれぞれに対して選択的、断続的に行なうことで、電
圧印加に対して応答性の良好な任意の印字を行なうこと
ができる。
ッドにおいては、下部電極４に印加した電圧による圧電
式アクチュエータの自由端部の図中上下方向への変位に
より、ノズル開口部２９付近のインクの圧力が高まり、
ノズル開口部２９よりインクを吐出させることができ
る。このような電圧印加を、複数の圧電式アクチュエー
タそれぞれに対して選択的、断続的に行なうことで、電
圧印加に対して応答性の良好な任意の印字を行なうこと
ができる。
【００５１】
【発明の効果】本発明によれば、支持体と電極間の絶縁
層を配線下のみに残しその後に電極層、圧電層を積層す
るのでカンチレバー部のシリコンメンブレンのエッチン
グ後の絶縁層のエッチングの際にシリコンのサイドエッ
チングの問題が発生しない。そのため、配線下の絶縁層
を厚くすることが可能となるので配線間の寄生容量を低
くすることができる。その結果、各プローブ間の寄生容
量のバラツキを抑えることができ、しかも寄生容量その
ものを小さくできるのでプローブ駆動の制御性が大きく
向上することになる。
層を配線下のみに残しその後に電極層、圧電層を積層す
るのでカンチレバー部のシリコンメンブレンのエッチン
グ後の絶縁層のエッチングの際にシリコンのサイドエッ
チングの問題が発生しない。そのため、配線下の絶縁層
を厚くすることが可能となるので配線間の寄生容量を低
くすることができる。その結果、各プローブ間の寄生容
量のバラツキを抑えることができ、しかも寄生容量その
ものを小さくできるのでプローブ駆動の制御性が大きく
向上することになる。
【図１】本発明による探針駆動機構の断面図である。
【図２】図１に示した探針駆動機構の製造工程図であ
る。
る。
【図３】別の態様の製造工程を示す図である。
【図４】マルチプローブの概略図である。
【図５】本発明の情報処理装置の概略図である。
【図６】従来例を示す概略図である。
【図７】従来例の電極間の等価回路図である。
【図８】本発明の情報処理装置に用いる記録層の電気メ
モリー効果を示す図である。
モリー効果を示す図である。
【図９】本発明の圧電式アクチュエータを応用した例を
示す図である。
示す図である。
１ シリコン基板 ２ シリコンナイトライド膜 ３ シリコン酸化膜 ４ 下電極 ５ 圧電体層 ６ 中電極 ７ 圧電体層 ８ 上電極 ９ ティップ １０ シリコンメンブレン １１ 絶縁層 １２ エッジ部 １３ 支持体部 ２７ スペーサ ２８ ノズル付き基板 ２９ ノズル開口部 １０１ シリコン基板 １０２ 探針駆動機構 １０３ 記録媒体 １０４ データ列 １０５ 粗動用圧電素子 １０６ バイアス回路 １０７ トンネル電流検出回路 １０８ パルス印加回路 １０９ ＸＹ位置制御回路 １１０ Ｚ方向サーボ回路 １１１ Ｚ方向粗動回路 １１２ 制御回路
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｇ１１Ｂ 9/14 Ｂ４１Ｊ 3/04 １０３Ａ Ｈ０１Ｌ 41/083 (72)発明者 山本 敬介 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 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 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G12B 21/22 B81B 3/00 G01N 13/12 G11B 9/14 H01L 41/083 G01B 7/34 H01J 37/28 B41J 2/045
Claims (23)
- 【請求項１】 圧電体薄膜と、これを挟持する電極を有
するバイモルフカンチレバーであって、該カンチレバー
の一端が支持体の表面に支持され、且つその他端に情報
入出力用のプローブを備えた探針駆動機構において、支
持体とカンチレバーとの間に設けられた絶縁層の膜厚が
少なくとも５０００Åであることを特徴とする探針駆動
機構。 - 【請求項２】 支持体の裏面に絶縁層を有することを特
徴とする請求項１に記載の探針駆動機構。 - 【請求項３】 支持体とカンチレバーとの間に、２層の
絶縁層を有し、支持体に接する絶縁層の膜厚が少なくと
も５０００Åであることを特徴とする請求項１又は２記
載の探針駆動機構。 - 【請求項４】 支持体に接する絶縁層が、耐異方性エッ
チングを有する材料からなることを特徴とする請求項３
記載の探針駆動機構。 - 【請求項５】 支持体に接する絶縁層が、シリコン酸化
膜を含むことを特徴とする請求項３記載の探針駆動機
構。 - 【請求項６】 カンチレバーに接する絶縁層が、シリコ
ンナイトライド膜を含むことを特徴とする請求項３記載
の探針駆動機構。 - 【請求項７】 支持体の裏面に接する絶縁層が、シリコ
ン酸化膜を含むことを特徴とする請求項２記載の探針駆
動機構。 - 【請求項８】 支持体が、シリコンからなることを特徴
とする請求項１又は２記載の探針駆動機構。 - 【請求項９】 請求項１又は２に記載の探針駆動機構が
少なくとも２個以上２次元配置されていることを特徴と
するマルチ探針駆動機構。 - 【請求項１０】 請求項１又は２に記載の探針駆動機構
を電気導電体に対向配置し、該探針駆動機構を駆動する
ための駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段を設
け、電気導電体とプローブとの間に電圧を印加する手
段、両者間に流れるトンネル電流を検出するための手段
及び該トンネル電流の検出に基づき、電気導電体表面の
情報を出力する手段を備えたことを特徴とするトンネル
電流検出装置。 - 【請求項１１】 該トンネル電流検出装置が走査型トン
ネル顕微鏡であることを特徴とする請求項１０記載のト
ンネル電流検出装置。 - 【請求項１２】 請求項１又は２に記載の探針駆動機構
を記録媒体に対向配置し、該探針駆動機構を駆動するた
めの駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段を設け、
記録媒体とプローブとの間に情報記録用パルス電圧を印
加するための手段を備えたことを特徴とする情報処理装
置。 - 【請求項１３】 請求項１又は２に記載の探針駆動機構
を記録媒体に対向配置し、該探針駆動機構を駆動するた
めの駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段を設け、
記録媒体とプローブとの間に情報再生用バイアス電圧を
印加するための手段を備えたことを特徴とする情報処理
装置。 - 【請求項１４】 請求項１又は２記載の探針駆動機構を
記録媒体に対向配置し、該探針駆動機構を駆動するため
の駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段を設け、記
録媒体とプローブとの間に情報記録用パルス電圧を印加
するための手段と情報再生用バイアス電圧を印加するた
めの手段とを備えたことを特徴とする情報処理装置。 - 【請求項１５】 記録媒体が、電気メモリー効果を有す
ることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載
の情報処理装置。 - 【請求項１６】 記録媒体の表面が非導電性であること
を特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の情報
処理装置。 - 【請求項１７】 圧電体薄膜と、これを挟持する電極を
有するバイモルフカンチレバーであって、該カンチレバ
ーの一端が支持体の表面に支持され、支持体とカンチレ
バーとの間及び支持体の裏面に絶縁層を有し且つ支持体
とカンチレバーとの間に設けられた絶縁層の膜厚が少な
くとも５０００Åであることを特徴とする圧電式アクチ
ュエータ。 - 【請求項１８】 支持体とカンチレバーとの間に、２層
の絶縁層を有し、支持体に接する絶縁層の膜厚が少なく
とも５０００Åであることを特徴とする請求項１７記載
の圧電式アクチュエータ。 - 【請求項１９】 支持体に接する絶縁層が、耐異方性エ
ッチングを有する材料からなることを特徴とする請求項
１８記載の圧電式アクチュエータ。 - 【請求項２０】 支持体に接する絶縁層が、シリコン酸
化膜を含むことを特徴とする請求項１８記載の圧電式ア
クチュエータ。 - 【請求項２１】 カンチレバーに接する絶縁層が、シリ
コンナイトライド膜を含むことを特徴とする請求項１８
記載の圧電式アクチュエータ。 - 【請求項２２】 支持体の裏面に接する絶縁層が、シリ
コン酸化膜を含むことを特徴とする請求項１７記載の圧
電式アクチュエータ。 - 【請求項２３】 支持体が、シリコンからなることを特
徴とする請求項１７記載の圧電式アクチュエータ。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15125792A JP3148946B2 (ja) | 1991-05-30 | 1992-05-20 | 探針駆動機構並びに該機構を用いたトンネル電流検出装置、情報処理装置、圧電式アクチュエータ |
| CA002069708A CA2069708C (en) | 1991-05-30 | 1992-05-27 | Probe-driving mechanism, production thereof, and apparatus and piezoelectric actuator employing the same |
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