JP3250157B2 - 微小変位素子、及びこれを用いたトンネル電流検出装置、記録再生装置 - Google Patents
微小変位素子、及びこれを用いたトンネル電流検出装置、記録再生装置Info
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- JP3250157B2 JP3250157B2 JP02067392A JP2067392A JP3250157B2 JP 3250157 B2 JP3250157 B2 JP 3250157B2 JP 02067392 A JP02067392 A JP 02067392A JP 2067392 A JP2067392 A JP 2067392A JP 3250157 B2 JP3250157 B2 JP 3250157B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電薄膜の逆圧電効果
により駆動することのできるマイクロアクチュエーター
の微小変位素子、それを用いた、トンネル電流検出装置
や走査トンネル顕微鏡、さらにはそれを応用した大容
量、高密度の記録再生装置に関するものである。
により駆動することのできるマイクロアクチュエーター
の微小変位素子、それを用いた、トンネル電流検出装置
や走査トンネル顕微鏡、さらにはそれを応用した大容
量、高密度の記録再生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年半導体プロセス技術を背景にして半
導体を機械的構造体として用いた半導体圧力センサー、
半導体加速度センサー、マイクロアクチュエーター等の
機械的電気素子（マイクロメカニクス）が脚光を浴びる
ようになってきた。
導体を機械的構造体として用いた半導体圧力センサー、
半導体加速度センサー、マイクロアクチュエーター等の
機械的電気素子（マイクロメカニクス）が脚光を浴びる
ようになってきた。
【０００３】係る素子の特徴として、小型で且つ高精度
の機械機構部品を提供でき、且つ半導体ウエハを用いる
ためにＳｉウエハ上に素子と電気回路を一体化できるこ
とが挙げられる。また、半導体プロセスをベースに作製
することで、半導体プロセスのバッチ処理による生産性
の向上を期待できる。特に微小変位素子としては、圧電
体薄膜を利用したカンチレバー状（片もち梁）のものが
挙げられ、これは非常に微細な動きを制御することが可
能なので、原子レベル、分子レベルを直接観察できる走
査型トンネル顕微鏡（以下「ＳＴＭ」と称す。）に応用
されている。
の機械機構部品を提供でき、且つ半導体ウエハを用いる
ためにＳｉウエハ上に素子と電気回路を一体化できるこ
とが挙げられる。また、半導体プロセスをベースに作製
することで、半導体プロセスのバッチ処理による生産性
の向上を期待できる。特に微小変位素子としては、圧電
体薄膜を利用したカンチレバー状（片もち梁）のものが
挙げられ、これは非常に微細な動きを制御することが可
能なので、原子レベル、分子レベルを直接観察できる走
査型トンネル顕微鏡（以下「ＳＴＭ」と称す。）に応用
されている。
【０００４】例えばスタンフォード大学のクエート等に
より提案された微小変位素子を用いたＳＴＭプローブ
（ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａ
ｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ｐ１８８−１９９，Ｆｅ
ｂ．１９９０）が知られている。この微小変位素子は、
Ｓｉ基板のウエハの裏面を一部除去しシリコンメンブレ
ンを形成し、表面にＡｌとＺｎＯの薄膜を順次積層し、
バイモルフのカンチレバーを形成しその後、裏面より反
応性のドライエッチによりシリコンメンブレンとウエハ
表面のエッチングの保護層（シリコン窒化膜）を除去し
て、ＳＴＭプローブ変位用のバイモルフカンチレバーを
作製している。このカンチレバーの上面自由端部にトン
ネル電流検知用プローブを取り付け、良好なＳＴＭ像を
得ている。
より提案された微小変位素子を用いたＳＴＭプローブ
（ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａ
ｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ｐ１８８−１９９，Ｆｅ
ｂ．１９９０）が知られている。この微小変位素子は、
Ｓｉ基板のウエハの裏面を一部除去しシリコンメンブレ
ンを形成し、表面にＡｌとＺｎＯの薄膜を順次積層し、
バイモルフのカンチレバーを形成しその後、裏面より反
応性のドライエッチによりシリコンメンブレンとウエハ
表面のエッチングの保護層（シリコン窒化膜）を除去し
て、ＳＴＭプローブ変位用のバイモルフカンチレバーを
作製している。このカンチレバーの上面自由端部にトン
ネル電流検知用プローブを取り付け、良好なＳＴＭ像を
得ている。
【０００５】一方、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，４ｔｈ Ｉｎ
ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ
Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｒｉｎｇ Ｍｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｙ／ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ．’８９，Ｓ１
３−３）、及び記録再生装置の様々な分野への応用が研
究されている。なかでも、コンピューターの計算情報等
では大容量を有する記録装置の要求に対してますます高
まっており、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。
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，４ｔｈ Ｉｎ
ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ
Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｒｉｎｇ Ｍｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｙ／ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ．’８９，Ｓ１
３−３）、及び記録再生装置の様々な分野への応用が研
究されている。なかでも、コンピューターの計算情報等
では大容量を有する記録装置の要求に対してますます高
まっており、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。
【０００６】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仕事関数を変化させる事により
記録書き込みし、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だしを行い最小記
録面積が１０ｎｍ平方となる記録再生装置が提案されて
いる。
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仕事関数を変化させる事により
記録書き込みし、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だしを行い最小記
録面積が１０ｎｍ平方となる記録再生装置が提案されて
いる。
【０００７】また、ＳＴＭのプローブ（探針）をカンチ
レバーの自由端側に形成し、それぞれ独立に変位するカ
ンチレバーをマルチ化し、さらに半導体プロセスと一体
化して同一基板上にトンネル検知用のプローブ付きカン
チレバーと、その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する記録再生装置が
提案されている。
レバーの自由端側に形成し、それぞれ独立に変位するカ
ンチレバーをマルチ化し、さらに半導体プロセスと一体
化して同一基板上にトンネル検知用のプローブ付きカン
チレバーと、その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する記録再生装置が
提案されている。
【０００８】ここで、係るカンチレバーの製造方法を図
を用いて説明する。図６は一個のカンチレバー型微小変
位素子の全体図であり、図７はこのカンチレバーの各製
造工程を示す図である。（１００）Ｓｉ基板７１の両面
にＬＰＣＶＤ装置でＳｉ3Ｎ4膜７３を１０００Å成膜し
て裏面のみをパターニングし（図７（ａ））、ＫＯＨ水
溶液等を用いＳｉ3Ｎ4膜７３をマスクとしカンチレバー
領域のＳｉの異方性エッチングを行い、数十μｍ厚のＳ
ｉメンブレンを形成する（図７（ｂ））。次に表面にＡ
ｌ等の電極層７４を成膜、パターニングし、同様にして
ＺｎＯのような圧電体薄膜層７５をスパッタで成膜しパ
ターニングを繰り返す（図７（ｃ））。次に、ポリイミ
ド等で表面を覆いＳｉとＳｉ3Ｎ4をエッチングし、ポリ
イミドを除去する（図７（ｄ））。
を用いて説明する。図６は一個のカンチレバー型微小変
位素子の全体図であり、図７はこのカンチレバーの各製
造工程を示す図である。（１００）Ｓｉ基板７１の両面
にＬＰＣＶＤ装置でＳｉ3Ｎ4膜７３を１０００Å成膜し
て裏面のみをパターニングし（図７（ａ））、ＫＯＨ水
溶液等を用いＳｉ3Ｎ4膜７３をマスクとしカンチレバー
領域のＳｉの異方性エッチングを行い、数十μｍ厚のＳ
ｉメンブレンを形成する（図７（ｂ））。次に表面にＡ
ｌ等の電極層７４を成膜、パターニングし、同様にして
ＺｎＯのような圧電体薄膜層７５をスパッタで成膜しパ
ターニングを繰り返す（図７（ｃ））。次に、ポリイミ
ド等で表面を覆いＳｉとＳｉ3Ｎ4をエッチングし、ポリ
イミドを除去する（図７（ｄ））。
【０００９】以上が従来のカンチレバーの製造工程であ
る。
る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従来のカンチレバーは
構造体が全て薄膜である。薄膜には異種の薄膜同士を接
合ないしは積層すると内部応力が必然的に発生する。こ
れは異種の薄膜同士の熱膨張係数の違いや格子定数の違
いによって界面に発生すると考えられる。とりわけ薄膜
（厚さ２μｍ以下）では、この界面に発生した内部応力
が非常に大きな問題となってくる。この応力値の厳密な
コントロールは難しいのが現状である。このため、薄膜
で積層したカンチレバーはこの内部応力のために反って
しまうという問題があった。このためあらかじめ設計し
たカンチレバーの寸法形状を保つことができなくなり、
加工精度を高めることが容易ではなかった。また薄膜形
成時の面内の膜厚の違いや密度の違い、或いは内部応力
値の違いによって、面内の複数のカンチレバーの高さが
異なる問題も生じた。これは集積化しマルチ化し、記録
再生装置として情報の書き込み、或いは読みだしのため
には微小変位素子１本１本が全て正常動作する必要があ
る。このために内部応力による反りが原因で精度が悪い
とその精度を補償するために、外的な補正の手段等を加
える必要があった。
構造体が全て薄膜である。薄膜には異種の薄膜同士を接
合ないしは積層すると内部応力が必然的に発生する。こ
れは異種の薄膜同士の熱膨張係数の違いや格子定数の違
いによって界面に発生すると考えられる。とりわけ薄膜
（厚さ２μｍ以下）では、この界面に発生した内部応力
が非常に大きな問題となってくる。この応力値の厳密な
コントロールは難しいのが現状である。このため、薄膜
で積層したカンチレバーはこの内部応力のために反って
しまうという問題があった。このためあらかじめ設計し
たカンチレバーの寸法形状を保つことができなくなり、
加工精度を高めることが容易ではなかった。また薄膜形
成時の面内の膜厚の違いや密度の違い、或いは内部応力
値の違いによって、面内の複数のカンチレバーの高さが
異なる問題も生じた。これは集積化しマルチ化し、記録
再生装置として情報の書き込み、或いは読みだしのため
には微小変位素子１本１本が全て正常動作する必要があ
る。このために内部応力による反りが原因で精度が悪い
とその精度を補償するために、外的な補正の手段等を加
える必要があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明の目的と
するところは、微小変位素子の反り量を少なくし、且つ
複数のカンチレバーの反り量のばらつきを抑えた微小変
位素子及びそれを用いたトンネル電流検出装置及び記録
再生装置を提供することにある。
するところは、微小変位素子の反り量を少なくし、且つ
複数のカンチレバーの反り量のばらつきを抑えた微小変
位素子及びそれを用いたトンネル電流検出装置及び記録
再生装置を提供することにある。
【００１２】即ち、上記目的を達成すべく成された本発
明は、第１に１つ以上の圧電体薄膜と該圧電体薄膜を変
位させるための電極とが積層されたカンチレバー状の積
層体を備える圧電薄膜変位素子において、前記積層体を
構成する一部が形状記憶合金薄膜で形成されており、且
つ、前記積層体の自由端部に情報入出力用プローブを備
えることを特徴とする微小変位素子である。係る構成に
よれば、薄膜内部に応力が発生しても形状記憶合金によ
る形状記録効果により応力を緩和し、微小変位素子の反
りを補償するのが本発明の特徴である。
明は、第１に１つ以上の圧電体薄膜と該圧電体薄膜を変
位させるための電極とが積層されたカンチレバー状の積
層体を備える圧電薄膜変位素子において、前記積層体を
構成する一部が形状記憶合金薄膜で形成されており、且
つ、前記積層体の自由端部に情報入出力用プローブを備
えることを特徴とする微小変位素子である。係る構成に
よれば、薄膜内部に応力が発生しても形状記憶合金によ
る形状記録効果により応力を緩和し、微小変位素子の反
りを補償するのが本発明の特徴である。
【００１３】
【００１４】第２に上記第１の微小変位素子を電気伝導
体に対向配置し、該微小変位素子に微小変位素子駆動の
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、電気伝導体とプローブとの間に電圧を印加し、トン
ネル電流の検出結果に基づき、電気伝導体表面の情報を
出力することを特徴とするトンネル電流検出装置にあ
る。
体に対向配置し、該微小変位素子に微小変位素子駆動の
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、電気伝導体とプローブとの間に電圧を印加し、トン
ネル電流の検出結果に基づき、電気伝導体表面の情報を
出力することを特徴とするトンネル電流検出装置にあ
る。
【００１５】第３に上記第１の微小変位素子を記録媒体
に対向配置し、該微小変位素子に微小変位素子駆動のた
めの外部の駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段と
を設け、且つ記録媒体とプローブとの間に印加しうる情
報記録用パルス電圧印加回路を具備したことを特徴とす
る記録再生装置にある。
に対向配置し、該微小変位素子に微小変位素子駆動のた
めの外部の駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段と
を設け、且つ記録媒体とプローブとの間に印加しうる情
報記録用パルス電圧印加回路を具備したことを特徴とす
る記録再生装置にある。
【００１６】第４に上記第１の微小変位素子を複数個、
記録媒体と対向配置し、該微小変位素子の各々に、微小
変位素子駆動のための駆動手段と該駆動手段を制御する
制御手段とを設け、且つ、記録媒体とプローブとの間に
印加しうる情報再生用バイアス電圧印加回路を備えたこ
とを特徴とする記録再生装置にある。
記録媒体と対向配置し、該微小変位素子の各々に、微小
変位素子駆動のための駆動手段と該駆動手段を制御する
制御手段とを設け、且つ、記録媒体とプローブとの間に
印加しうる情報再生用バイアス電圧印加回路を備えたこ
とを特徴とする記録再生装置にある。
【００１７】第５に上記第１の微小変位素子を複数個、
記録媒体と対向配置し、該微小変位素子の各々に、微小
変位素子駆動のための駆動手段と該駆動手段を制御する
制御手段とを設け、且つ、記録媒体とプローブとの間に
印加しうる情報記録用バイアス電圧印加回路を備えたこ
とを特徴とする記録再生装置にある。
記録媒体と対向配置し、該微小変位素子の各々に、微小
変位素子駆動のための駆動手段と該駆動手段を制御する
制御手段とを設け、且つ、記録媒体とプローブとの間に
印加しうる情報記録用バイアス電圧印加回路を備えたこ
とを特徴とする記録再生装置にある。
【００１８】本発明においては、微小変位させる微小変
位素子の１部を形状記憶合金薄膜にすることにより薄膜
内部に発生した電極薄膜と圧電体薄膜の界面の内部応力
を形状回復効果により緩和させ、その結果微小変位素子
の反り量を最低限に抑えるものである。
位素子の１部を形状記憶合金薄膜にすることにより薄膜
内部に発生した電極薄膜と圧電体薄膜の界面の内部応力
を形状回復効果により緩和させ、その結果微小変位素子
の反り量を最低限に抑えるものである。
【００１９】
【実施例】以下、実施例を用いて本発明を具体的に詳述
する。
する。
【００２０】実施例１ 先ず形状記憶合金薄膜の作製法について述べる。形状記
憶合金薄膜の形成はスパッタ法によった。形状記憶合金
薄膜材料として ターゲットにＮｉ−Ｔｉ合金（原子比
１：１）を用いた。成膜雰囲気はＡｒガス中で成膜温度
は室温で行った。厚さは１μｍ成膜した。この時の薄膜
はＸ線回折によりアモルファスであった。その後４００
℃で熱処理し結晶化を行った。その後この薄膜のＸ線回
折から結晶化が認められた。次にこの薄膜の一部を切り
出し、四端子による抵抗測定の温度変化をとったとこ
ろ、図３のようになった。これにより加熱、冷却により
マルテンサイト変態による挙動が観測された。以上の結
果から１００℃以上の加熱によって形状回復効果がみら
れることがわかった。
憶合金薄膜の形成はスパッタ法によった。形状記憶合金
薄膜材料として ターゲットにＮｉ−Ｔｉ合金（原子比
１：１）を用いた。成膜雰囲気はＡｒガス中で成膜温度
は室温で行った。厚さは１μｍ成膜した。この時の薄膜
はＸ線回折によりアモルファスであった。その後４００
℃で熱処理し結晶化を行った。その後この薄膜のＸ線回
折から結晶化が認められた。次にこの薄膜の一部を切り
出し、四端子による抵抗測定の温度変化をとったとこ
ろ、図３のようになった。これにより加熱、冷却により
マルテンサイト変態による挙動が観測された。以上の結
果から１００℃以上の加熱によって形状回復効果がみら
れることがわかった。
【００２１】次に本実施例の微小変位素子について述べ
る。
る。
【００２２】図１に本発明の微小変位素子の一部分を示
す。図中１１はＳｉ基板、１２はマスク層、１３は形状
記憶合金薄膜、１４は圧電体薄膜、１５は上部電極、１
６はＳｉ（１１１）面である。これは、Ｓｉ基板１１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。異方性エッチングで残っ
た（１１１）面１６と異方性エッチングのマスク層１２
と下電極を兼ねた形状記憶合金薄膜１３と圧電体薄膜１
４と上部電極１５で形成される圧電薄膜カンチレバーで
構成されている。これはＳｉとの接合面を支点として片
持ち梁となっており、上下の電極に電圧を加えることに
よって、自由端先端部が微小変位することができる。尚
カンチレバーのサイズは幅１００μｍ、長さ５００μｍ
である。
す。図中１１はＳｉ基板、１２はマスク層、１３は形状
記憶合金薄膜、１４は圧電体薄膜、１５は上部電極、１
６はＳｉ（１１１）面である。これは、Ｓｉ基板１１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。異方性エッチングで残っ
た（１１１）面１６と異方性エッチングのマスク層１２
と下電極を兼ねた形状記憶合金薄膜１３と圧電体薄膜１
４と上部電極１５で形成される圧電薄膜カンチレバーで
構成されている。これはＳｉとの接合面を支点として片
持ち梁となっており、上下の電極に電圧を加えることに
よって、自由端先端部が微小変位することができる。尚
カンチレバーのサイズは幅１００μｍ、長さ５００μｍ
である。
【００２３】上記カンチレバーの作製方法を図２を用い
て説明する。図２は薄膜カンチレバー作製前の基板製造
工程を示す図である。（１００）Ｓｉ基板１１の両面に
ＬＰＣＶＤ装置でＳｉ3 Ｎ4 膜のマスク層１２を１００
０Å成膜した。次に裏面にパターニングした（図２
（ａ））。
て説明する。図２は薄膜カンチレバー作製前の基板製造
工程を示す図である。（１００）Ｓｉ基板１１の両面に
ＬＰＣＶＤ装置でＳｉ3 Ｎ4 膜のマスク層１２を１００
０Å成膜した。次に裏面にパターニングした（図２
（ａ））。
【００２４】次に裏面からＫＯＨによるＳｉの異方性エ
ッチングを行った。この時にエッチングされにくい（１
１１）面１６が形成される。さらに、数十μｍ厚のＳｉ
メンブレンを形成する（図２（ｂ））。
ッチングを行った。この時にエッチングされにくい（１
１１）面１６が形成される。さらに、数十μｍ厚のＳｉ
メンブレンを形成する（図２（ｂ））。
【００２５】この後、前述した形状記憶合金薄膜作製法
と同様にスパッタ法により形状記憶合金薄膜１３を厚さ
１μｍ形成した。次にこの薄膜の応力を緩和させるため
に熱処理を行った。その後にフォトリソグラフィーとウ
エットエッチングによりパターニングを行った（図２
（ｃ））。
と同様にスパッタ法により形状記憶合金薄膜１３を厚さ
１μｍ形成した。次にこの薄膜の応力を緩和させるため
に熱処理を行った。その後にフォトリソグラフィーとウ
エットエッチングによりパターニングを行った（図２
（ｃ））。
【００２６】次に、スパッタ法により、圧電体薄膜１４
を形成した。圧電体薄膜としてＺｎＯを３０００Å成膜
した。ターゲットにはＺｎＯを用いた。Ａｒ＋Ｏ2 雰囲
気で基板温度２００℃でスパッタを行った。さらにフォ
トリソグラフィーとウエットエッチングによりパターニ
ングを行った。その後、上部電極１５としてＡｕ薄膜を
抵抗加熱法により作製した。この時の膜厚は１０００Å
であった。このＡｕ薄膜をフォトリソグラフィーとウエ
ットエッチングによりパターニングを行った（図２
（ｄ））。
を形成した。圧電体薄膜としてＺｎＯを３０００Å成膜
した。ターゲットにはＺｎＯを用いた。Ａｒ＋Ｏ2 雰囲
気で基板温度２００℃でスパッタを行った。さらにフォ
トリソグラフィーとウエットエッチングによりパターニ
ングを行った。その後、上部電極１５としてＡｕ薄膜を
抵抗加熱法により作製した。この時の膜厚は１０００Å
であった。このＡｕ薄膜をフォトリソグラフィーとウエ
ットエッチングによりパターニングを行った（図２
（ｄ））。
【００２７】その後裏面からＲＩＥによるドライエッチ
ングによりＳｉ基板の所望の部分を除去し微小変位素子
を作製した（図２（ｅ））。
ングによりＳｉ基板の所望の部分を除去し微小変位素子
を作製した（図２（ｅ））。
【００２８】この時残留する圧電体薄膜１４と上部電極
１５の応力によりカンチレバー（片持ち梁）は反り上が
ってしまった。しかしこの微小変位素子を１５０℃で熱
処理したところ、形状記憶合金薄膜１３の形状回復効果
により反りはなくなった。
１５の応力によりカンチレバー（片持ち梁）は反り上が
ってしまった。しかしこの微小変位素子を１５０℃で熱
処理したところ、形状記憶合金薄膜１３の形状回復効果
により反りはなくなった。
【００２９】このようにして作製した微小変位素子をＳ
ｉ基板中に２００本形成したところ各カンチレバーの反
り量は長さ５００μｍのカンチレバーの先端で±２μｍ
以内であった。
ｉ基板中に２００本形成したところ各カンチレバーの反
り量は長さ５００μｍのカンチレバーの先端で±２μｍ
以内であった。
【００３０】比較例 実施例１と同様に作製し形状記憶合金薄膜部分に形状記
憶効果のないＰｔ電極を用い同じ構成の微小変位素子を
作製した。この時の微小変位素子の寸法は実施例１のも
のと同じにおこなった。この時のカンチレバーの反り量
は±２０μｍであった。
憶効果のないＰｔ電極を用い同じ構成の微小変位素子を
作製した。この時の微小変位素子の寸法は実施例１のも
のと同じにおこなった。この時のカンチレバーの反り量
は±２０μｍであった。
【００３１】実施例２ 本実施例では、本発明の微小変位素子の他の態様を示
す。実施例１と違う点は圧電体薄膜が２層構成である点
である。
す。実施例１と違う点は圧電体薄膜が２層構成である点
である。
【００３２】図４は本実施例の微小変位素子の構成図で
ある。
ある。
【００３３】実施例１と同様にＳｉ基板にＳｉメンブレ
ンを作製した。その後、形状記憶合金薄膜１３を形成し
た。この時の条件は実施例１で述べたものと同じであ
る。次に、スパッタ法により、圧電体薄膜１４としてＡ
ＩＮを３０００Å成膜した。ターゲットにはＡＩＮを用
い、Ａｒ＋Ｎ2 雰囲気で基板温度２００℃でスパッタを
行った。さらにフォトリソグラフィーとウエットエッチ
ングによりパターニングを行った。その後、中電極１７
としてＡｕ薄膜を抵抗加熱法により作製した。この時の
膜厚は１０００Åであった。このＡｕ薄膜をフォトリソ
グラフィーとウエットエッチングによりパターニングを
行った。
ンを作製した。その後、形状記憶合金薄膜１３を形成し
た。この時の条件は実施例１で述べたものと同じであ
る。次に、スパッタ法により、圧電体薄膜１４としてＡ
ＩＮを３０００Å成膜した。ターゲットにはＡＩＮを用
い、Ａｒ＋Ｎ2 雰囲気で基板温度２００℃でスパッタを
行った。さらにフォトリソグラフィーとウエットエッチ
ングによりパターニングを行った。その後、中電極１７
としてＡｕ薄膜を抵抗加熱法により作製した。この時の
膜厚は１０００Åであった。このＡｕ薄膜をフォトリソ
グラフィーとウエットエッチングによりパターニングを
行った。
【００３４】さらに同様の工程で圧電体薄膜１４と上部
電極１５を作製した。その後裏面からＲＩＥによるドラ
イエッチングにより薄膜カンチレバーを作製した。次に
実施例１と同様に熱処理し形状を回復させた。
電極１５を作製した。その後裏面からＲＩＥによるドラ
イエッチングにより薄膜カンチレバーを作製した。次に
実施例１と同様に熱処理し形状を回復させた。
【００３５】この様に作製した微小変位素子は多数回成
膜による内部応力の増大も緩和することができ、かつ圧
電体薄膜を２層有しているので変位量も大きくとること
ができる。
膜による内部応力の増大も緩和することができ、かつ圧
電体薄膜を２層有しているので変位量も大きくとること
ができる。
【００３６】実施例３ 本実施例では、本発明の微小変位素子を用いて情報の記
録、再生等を行う記録再生装置について述べる。
録、再生等を行う記録再生装置について述べる。
【００３７】実施例１で作製した微小変位素子の自由端
部にフォトリソグラフィーとリフトオフによりＰｔのプ
ローブ（探針）を作製した。このプローブを持つ微小変
位素子、ここではＳｉ基板面内に４×３＝１２本の微小
変位素子を図５に示す記録再生装置に取り付けた。
部にフォトリソグラフィーとリフトオフによりＰｔのプ
ローブ（探針）を作製した。このプローブを持つ微小変
位素子、ここではＳｉ基板面内に４×３＝１２本の微小
変位素子を図５に示す記録再生装置に取り付けた。
【００３８】図中１０１は媒体の基板、１０２は金属電
極層、１０３は記録層である。２０１はＸＹステージ、
２０２はマルチ微小変位素子のプローブ、２０３は微小
変位素子の支持体、２０４は微小変位素子をＺ軸方向に
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軸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はプローブ電極から記録層１０３を介し
て電極層１０２へ流れる電流を検出する再生用のトンネ
ル電流検出器である。３０２，３０３はカンチレバーを
Ｚ軸方向に移動させ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、これは、微小変位素子に駆動する電圧値を独
立に制御することができ、これにより各微小変位素子の
Ｚ軸方向の位置を制御することができる。３０５はＺ軸
方向リニアアクチュエーター２０４の駆動回路である。
３０６は、これらの操作を制御するコンピューター、３
０７はステージ駆動回路である。
極層、１０３は記録層である。２０１はＸＹステージ、
２０２はマルチ微小変位素子のプローブ、２０３は微小
変位素子の支持体、２０４は微小変位素子をＺ軸方向に
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軸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はプローブ電極から記録層１０３を介し
て電極層１０２へ流れる電流を検出する再生用のトンネ
ル電流検出器である。３０２，３０３はカンチレバーを
Ｚ軸方向に移動させ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、これは、微小変位素子に駆動する電圧値を独
立に制御することができ、これにより各微小変位素子の
Ｚ軸方向の位置を制御することができる。３０５はＺ軸
方向リニアアクチュエーター２０４の駆動回路である。
３０６は、これらの操作を制御するコンピューター、３
０７はステージ駆動回路である。
【００３９】本実施例では、この記録再生装置にマルチ
微小変位素子を取り付け、記録媒体としてガラス基板上
にＣｒ／Ａｕを蒸着し、その上部にポリイミドＬＢ膜を
４層（約１５Å）成膜したものを用いた。記録媒体の電
極と微小変位素子の先端のプローブに１Ｖの電圧を印加
した。１２本全ての微小変位素子のプローブが、それぞ
れ１ｎＡ程度のトンネル電流になるように微小変位素子
の圧電体薄膜に電界を加えてプローブの位置をＺ軸方向
に移動させた。この際１２本に各自独立に圧電薄膜にか
けた電界の値はほとんど±１％以内の電圧であった。
微小変位素子を取り付け、記録媒体としてガラス基板上
にＣｒ／Ａｕを蒸着し、その上部にポリイミドＬＢ膜を
４層（約１５Å）成膜したものを用いた。記録媒体の電
極と微小変位素子の先端のプローブに１Ｖの電圧を印加
した。１２本全ての微小変位素子のプローブが、それぞ
れ１ｎＡ程度のトンネル電流になるように微小変位素子
の圧電体薄膜に電界を加えてプローブの位置をＺ軸方向
に移動させた。この際１２本に各自独立に圧電薄膜にか
けた電界の値はほとんど±１％以内の電圧であった。
【００４０】次に微小変位素子１２本に各自圧電薄膜に
かける電圧を同じにしたところ、それぞれのプローブの
トンネル電流値は０．１ｎＡ〜５ｎＡの範囲内におさま
っていた。
かける電圧を同じにしたところ、それぞれのプローブの
トンネル電流値は０．１ｎＡ〜５ｎＡの範囲内におさま
っていた。
【００４１】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桁程度変化する特徴がある。
と、記録媒体の抵抗率が２桁程度変化する特徴がある。
【００４２】その後、プローブにバイアス回路によりパ
ルス電圧（５Ｖ １μｓｅｃ）を加え、所望の位置に情
報を記録した。尚、その領域は約１００Å×１００Å程
度と非常に小さく、超高密度の記録を行うことができ
た。
ルス電圧（５Ｖ １μｓｅｃ）を加え、所望の位置に情
報を記録した。尚、その領域は約１００Å×１００Å程
度と非常に小さく、超高密度の記録を行うことができ
た。
【００４３】次に、プローブと記録媒体の電極間にバイ
アス回路により１Ｖの電圧を印加し、トンネル電流検出
回路でトンネル電流の変化を見たところ、先ほど記録し
た領域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。
アス回路により１Ｖの電圧を印加し、トンネル電流検出
回路でトンネル電流の変化を見たところ、先ほど記録し
た領域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。
【００４４】上実施例では記録再生装置であったが、記
録又は再生のみの装置でも良い。
録又は再生のみの装置でも良い。
【００４５】実施例４ 本実施例では、前述した記録再生装置を使って、ＳＴＭ
として実験を行った結果について述べる。
として実験を行った結果について述べる。
【００４６】実施例３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ＨＯＰＧを用いて、
ＳＴＭ像を得たところ、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。さらに、
耐久性も向上し、長時間にわたって観察することができ
た。
て走査し、プローブ電極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ＨＯＰＧを用いて、
ＳＴＭ像を得たところ、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。さらに、
耐久性も向上し、長時間にわたって観察することができ
た。
【００４７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
圧電体薄膜と該圧電体薄膜を変位させるための電極とが
積層されたカンチレバー状の積層体を備える圧電薄膜変
位素子において、前記積層体を構成する一部に形状記憶
合金薄膜を用いることにより、薄膜の内部応力を緩和す
ることができる。このため例えば薄膜カンチレバーにお
いてその反り量を最小限に抑えることができるようにな
った。またプローブを有したこの微小変位素子は応答
性、操作性ともに高くＳＴＭを応用した記録再生装置が
実現できる。また、複数のプローブをもつ微小変位素子
においては面内の１本１本のカンチレバーの反り量のば
らつきも高精度に作製でき、平面度も高いので、歩留ま
りが向上すると共に、制御性も高まる。
圧電体薄膜と該圧電体薄膜を変位させるための電極とが
積層されたカンチレバー状の積層体を備える圧電薄膜変
位素子において、前記積層体を構成する一部に形状記憶
合金薄膜を用いることにより、薄膜の内部応力を緩和す
ることができる。このため例えば薄膜カンチレバーにお
いてその反り量を最小限に抑えることができるようにな
った。またプローブを有したこの微小変位素子は応答
性、操作性ともに高くＳＴＭを応用した記録再生装置が
実現できる。また、複数のプローブをもつ微小変位素子
においては面内の１本１本のカンチレバーの反り量のば
らつきも高精度に作製でき、平面度も高いので、歩留ま
りが向上すると共に、制御性も高まる。
【図１】本発明の微小変位素子の模式図である。
【図２】本発明の微小変位素子の作製工程を示す模式図
である。
である。
【図３】形状記憶合金薄膜の抵抗変化を示す図である。
【図４】他の実施例の微小変位素子の模式図である。
【図５】本発明の記録再生装置のブロック図である。
【図６】従来例の微小変位素子の斜視図である。
【図７】従来例の微小変位素子の作製工程を示す模式図
である。
である。
１１ Ｓｉ基板 １２ マスク層 １３ 形状記憶合金薄膜 １４ 圧電体薄膜 １５ 上部電極 １６ Ｓｉ（１１１）面 １７ 中電極 ７１ Ｓｉ基板 ７３ Ｓｉ3Ｎ4膜 ７４ 電極層 ７５ 圧電体薄膜層 １０１ 記録媒体基板 １０２ 金属電極層 １０３ 記録層 ２０１ ＸＹステージ ２０２ プローブ電極 ２０３ 支持体 ２０４ Ｚ軸方向リニアアクチュエーター ２０５ Ｘ軸方向リニアアクチュエーター ２０６ Ｙ軸方向リニアアクチュエーター ２０７ 記録再生用バイアス回路 ３０１ トンネル電流検出器 ３０２，３０３ サーボ回路 ３０４，３０５ 駆動回路 ３０６ コンピューター ３０７ ステージ駆動回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−133370（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−179286（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−216749（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−223204（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−84741（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−27267（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−60509（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−88129（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−71998（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/66 G11B 9/00
Claims (6)
- 【請求項１】 １つ以上の圧電体薄膜と該圧電体薄膜を
変位させるための電極とが積層されたカンチレバー状の
積層体を備える圧電薄膜変位素子において、前記積層体
を構成する一部が形状記憶合金薄膜で形成されており、
且つ、前記積層体の自由端部に情報入出力用プローブを
備えることを特徴とする微小変位素子。 - 【請求項２】 請求項１記載の微小変位素子を電気伝導
体に対向配置し、該微小変位素子に微小変位素子駆動の
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、電気伝導体とプローブとの間に電圧を印加し、トン
ネル電流の検出結果に基づき、電気伝導体表面の情報を
出力することを特徴とするトンネル電流検出装置。 - 【請求項３】 請求項１記載の微小変位素子を記録媒体
に対向配置し、該微小変位素子に微小変位素子駆動のた
めの外部の駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段と
を設け、且つ記録媒体とプローブとの間に印加しうる情
報記録用パルス電圧印加回路を具備したことを特徴とす
る記録再生装置。 - 【請求項４】 請求項１記載の微小変位素子を複数個、
記録媒体と対向配置し、該微小変位素子の各々に、微小
変位素子駆動のための駆動手段と該駆動手段を制御する
制御手段とを設け、且つ、記録媒体とプローブとの間に
印加しうる情報再生用バイアス電圧印加回路を備えたこ
とを特徴とする記録再生装置。 - 【請求項５】 請求項１記載の微小変位素子を複数個、
記録媒体と対向配置し、該微小変位素子の各々に、微小
変位素子駆動のための駆動手段と該駆動手段を制御する
制御手段とを設け、且つ、記録媒体とプローブとの間に
印加しうる情報記録用バイアス電圧印加回路を備えたこ
とを特徴とする記録再生装置。 - 【請求項６】 前記制御手段が、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、前記微
小変位素子を変位させるためのバイアス電圧を変化さ
せ、その信号を微小変位素子を構成する電極に与えるも
のであることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一
項に記載の記録再生装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02067392A JP3250157B2 (ja) | 1992-01-10 | 1992-01-10 | 微小変位素子、及びこれを用いたトンネル電流検出装置、記録再生装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02067392A JP3250157B2 (ja) | 1992-01-10 | 1992-01-10 | 微小変位素子、及びこれを用いたトンネル電流検出装置、記録再生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05190617A JPH05190617A (ja) | 1993-07-30 |
| JP3250157B2 true JP3250157B2 (ja) | 2002-01-28 |
Family
ID=12033720
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02067392A Expired - Fee Related JP3250157B2 (ja) | 1992-01-10 | 1992-01-10 | 微小変位素子、及びこれを用いたトンネル電流検出装置、記録再生装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3250157B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040020349A (ko) * | 2002-08-30 | 2004-03-09 | 재단법인 포항산업과학연구원 | 형상기억합금 박막을 이용한 피지티 미세 액츄에이터 위치보정장치 |
| JP5164743B2 (ja) | 2008-08-27 | 2013-03-21 | エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 | カンチレバー、カンチレバーシステム及びプローブ顕微鏡並びに吸着質量センサ |
| JP5644938B2 (ja) * | 2011-03-29 | 2014-12-24 | 富士通株式会社 | 電子デバイスとその製造方法 |
-
1992
- 1992-01-10 JP JP02067392A patent/JP3250157B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05190617A (ja) | 1993-07-30 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20011016 |
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