JP3402661B2 - カンチレバー型プローブ、及びこれを用いた情報処理装置 - Google Patents

カンチレバー型プローブ、及びこれを用いた情報処理装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、トンネル電流検出装置
や走査型トンネル顕微鏡等に好適に用いられるカンチレ
バー型プローブに関する。
【0002】更に本発明は、上記カンチレバー型プロー
ブを用い走査型トンネル顕微鏡の手法により情報の記
録、再生あるいは消去を行う大容量・高密度の情報処理
装置に関する。
【0003】
【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。
【0004】かかる素子の特徴として、小型でかつ高精
度の機械機構部品を提供でき、かつ半導体ウエハーを用
いるためにSiウエハー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、静電力や圧電体薄膜を利用したカンチレバー(片持
ち梁)状のものが挙げられ、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、「ST
M」と記す)に応用されている。
【0005】例えば、特開昭61−206148では静
電力を利用したカンチレバーが提案されている。これは
図6に示すようにSiウエハー61上に不純物ドープに
より電極層62を設けた後Siのエピタキシャル成長6
3を行い、これに再度不純物ドープを行い電極64を形
成したのち、その中間のノンドープSi層を除去し、引
出し電極67を蒸着法等により形成し、カンチレバー6
5を形成したものである。また、圧電体薄膜を用いた例
としては、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
MicroElectro Mechanical
Systems,P188−199,Feb.199
0)がある。これは図7に示すようにSiウエハー71
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Al72とZnO73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
イエッチングによりシリコンメンブレンとウエハー表面
のエッチングの保護層(シリコン窒化膜)を除去して、
STMティップ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
電流検知用マイクロティップを取り付け、良好なSTM
像を得ている。
【0006】一方、STMの手法を用いて半導体あるい
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 Tunneling 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
プロセッサーが小型化し、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マイクロプローブからなる
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
状を変化させることにより記録書き込みし、形状の変化
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のマイクロティップをカンチレ
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電流検知用のマイクロティッ
プ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、等を積載する記録再生装置が提案
されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】従来のカンチレバー
は、その駆動走査のためにカンチレバー自身が薄膜の多
層構成となっていた。例えば図7に示したカンチレバー
構造の場合、圧電体と電極で5層構造となっている。薄
膜は、異種の薄膜同士を積層ないし接合すると、薄膜の
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)
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。そのため、応力値の厳密なコントロールが
できず、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場合があり、カンチレバーの駆動制
御が精度よくできなかった。しかもカンチレバーは圧電
体でできているためそのヤング率は低く、従って固有振
動数や剛性が高くなかった。固有振動数や剛性が低いと
駆動走査速度が遅くなり、しかも機械的な衝撃による問
題も少なからず生じた。一方、図6に示したような特開
昭61−206148の静電駆動型カンチレバーにおい
ても、カンチレバー自身を電極として用いているため、
マイクロティップとの絶縁をとるために層数はカンチレ
バーと絶縁層の2層構成となる。また、この場合マイク
ロティップ68と電極64は絶縁層66を介して配置さ
れるためマイクロティップに寄生容量が誘起されてしま
うという問題点があった。しかもこの方法ではカンチレ
バー自身はSiウエハー基板61に対して垂直方向(Z
軸方向)のみしか駆動することができなかった。
【0009】従って、本発明の目的とするところは、内
部応力の制御が容易で反りが無く、また、剛性を高め固
有振動数が高く、高速駆動が可能な変位素子を提供する
ことにある。
【0010】更に、本発明の目的は、上記変位素子を用
いマイクロティップに発生する寄生容量を低減したカン
チレバー型プローブ及びこれを用いた信頼性の高い高密
度・大容量の記録、再生あるいは消去が可能な情報処理
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】上記目的を達成
すべく成された本発明は、極を有する基板と、該基板
上に設けられたカンチレバーと、該カンチレバーの上面
自由端に取り付けられたトンネル電流検知用マイクロテ
ィップとを備えたカンチレバー型プローブにおいて、
カンチレバー半導体材料からなり、該カンチレバー
上に該半導体材料への不純物拡散により少なくとも2つ
の静電駆動用電極が形成されており、前記トンネル電流
検知用マイクロティップは、該静電駆動用電極間に配置
されていることを特徴とするカンチレバー型プローブで
あり、更には、マイクロティップを備えたカンチレバー
型プローブを記録媒体に近接させ、該ティップと記録媒
体との間に電圧を印加して情報の記録、再生あるいは消
去を行う情報処理装置であって、前記カンチレバー型プ
ローブが、上記本発明のカンチレバー型プローブである
ことを特徴とする情報処理装置である。
【0012】上記本発明のカンチレバー型プローブの構
成によれば、カンチレバーを単層にすることができ、そ
の応力制御は極めて容易であり、カンチレバーの反りを
低減することができる。基板としては、半導体、金属、
ガラス、セラミックス等の材料を用いることができる
が、半導体から成り不純物を拡散して静電駆動用電極が
形成されるカンチレバーとを半導体プロセスを用いて一
体形成するには、特にSiウエハー等の半導体基板が好
ましい。
【0013】また、半導体基板を用いた場合には、カン
チレバーと同様に基板上にも不純物拡散により電極を形
成できる。
【0014】上記電極を形成するために用いられる不純
物としては、本発明では特に限定しないが、例えばBあ
るいはP等を用いることができ、この場合、電極はpタ
イプあるいはnタイプの導電型を持つ。
【0015】次に、図面を用いて本発明を説明する。
【0016】図1(a)は本発明の変位素子にマイクロ
ティップを設けたカンチレバー型プローブの一例を示す
斜視図であり、図1(b)は図1(a)のA−A’断面
図である。
【0017】本素子ではSi基板11上に一定量のギャ
ップを保持して多結晶Siからなる片持ち梁12と静電
駆動用電極13が配置されており、片持ち梁12の多結
晶Siには不純物拡散による静電駆動用電極14が2分
割の状態で形成されている。また、片持ち梁12上の静
電駆動用電極14間には情報入出力STM用マイクロテ
ィップ15及びその引き出し電極16が配置されてい
る。図示していないが、同一Si基板上にはカンチレバ
ー型プローブの動作用回路及び信号処理回路等のICが
搭載されている。静電駆動用電極13および14に印加
する電圧を変えることにより片持ち梁12上のマイクロ
ティップ15の先端を上下方向(Z軸)に作動させるこ
とができる。また、2分割された静電駆動用電極14に
それぞれ異なる電圧を印加することにより片持ち梁12
を捻らせることができ、結果としてマイクロティップ1
5の先端を左右方向(Y軸)に作動させることができ
る。図1(c)に素子駆動時の片持ち梁12の動作を示
す。
【0018】係る構成によれば、カンチレバー駆動時に
マイクロティップに発生する寄生容量を低減でき、また
上記のようにカンチレバー材としてSi等、ヤング率の
高い材料を用いることによって、従来のZnOなどの圧
電体を用いたカンチレバーに比べて剛性を十分大きくと
ることができ、よって固有振動数も高くすることができ
る。
【0019】本発明のカンチレバー型プローブにおい
て、マイクロティップの材料としてはPt、Au、R
h、Pdなどの貴金属や、Wなどの金属、これらの合金
類や積層したもの、あるいはTiCなどが用いられ、上
記材料の小片を接着したり、上記材料の薄膜を堆積した
りした後、必要であればエッチングや電解研磨などで所
望の形態に加工し作製することができる。
【0020】本発明の変位素子及びカンチレバー型プロ
ーブ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。
【0021】また、本発明で好適に用いられる情報記録
用の記録媒体としては、基板とその上に設けられた記録
層とからなり、しかも電流・電圧特性に於いて、メモリ
ースイッチング現象(電気メモリー効果)を持つものが
利用できるがこれに限るものではない。
【0022】本発明で言う電気メモリー効果とは、電圧
印加に対応して少なくとも2つ以上の異なる抵抗状態を
示し、各状態間は記録層の導電率を変化させる閾値を越
えた電圧又は電流を印加することにより自由に遷移し、
また得られた各抵抗状態は閾値を越えない電圧又は電流
を印加する限りにおいてその状態を保持し得ることを言
う。
【0023】かかる電気メモリー効果を有する記録材料
(媒体)としては、特開昭63−161522号公報や
特開昭63−161523号公報に開示されたものが好
適に用いられる。
【0024】
【実施例】以下、実施例を用いて本発明を具体的に詳述
する。
【0025】実施例1 本実施例では、図1に示されるような本発明のカンチレ
バー型プローブを基板としてSiを用いて通常のIC製
造プロセスにより作製した。
【0026】以下、作製方法を説明する。図2は本実施
例のカンチレバー型プローブの製造工程を示す図であ
る。先ず、熱酸化膜21が5000Å形成されたSi基
板11の表面に、LP−CVD装置によってSi34
膜22を3000Å形成した(図2(a))。次に、基
板11側静電駆動用電極(W−Si)13をリフトオフ
法により形成した(図2(b))。次に、犠牲層として
の酸化Si膜23をスパッタ法で5μm厚形成した後
(図2(c))、フォトリソ法とウエットエッチングに
よりパターニングした(図2(d))。次に、LP−C
VD法により多結晶Si(p−Si)膜24を0.8μ
m成膜し(図2(e))、続いてレジストパターンを形
成した後、片持ち梁側静電駆動用電極14形成のための
イオン注入を行った(図2(f))。イオン注入には、
リン(P)を用い、1×1016ions/cm2の濃度
で行なった。熱処理後、フォトリソ法とウエットエッチ
ングにより片持ち梁12をパターニングした(図2
(g))。次に、片持ち梁12上にPt,Rh,Wなど
の金属片を接着してマイクロティップ15を形成した
(図2(h))。最後に、犠牲層23をウエットエッチ
ングで除去した(図2(i))。
【0027】このようにして作製したカンチレバー型プ
ローブは、片持ち梁がp−Siのみの単層であるため、
熱処理によって容易にその応力制御ができ、片持ち梁の
反りはほとんど発生しなかった。
【0028】上記の製造工程において、マイクロティッ
プ15の形成をはぶくと変位素子が製造できる。
【0029】作製したカンチレバー型プローブの寸法及
び性能を以下に示す。
【0030】 ・片持ち梁寸法 :500×100×0.8μm ・静電駆動用ギャップ間距離:5μm ・Y軸変位量 :7Å/±0.5V (マイクロティ
ップ:長7μm) ・Z軸変位量 :1.7μm/±2V .Z軸固有振動数:10KHz この様に、高速応答性並びに剛性の高いカンチレバー型
プローブを形成することができた。さらに所望の応答性
並びに剛性を必要とする場合は、片持ち梁の長さ、厚さ
を変える等の設計を行えば良い。
【0031】更に、本実施例では、上述の素子を基板と
してSiを用いてマルチに形成した。
【0032】図4はこのマルチカンチレバー型プローブ
の斜視図を示したものである。これには複数片持ち梁1
2、マイクロティップ15のほかトンネル電流増幅器4
1と複数の記録再生素子の動作の各種制御や情報を転送
することのできるIC42が搭載されており、これは電
極パッド43に引き出される。図5は本実施例のカンチ
レバー型プローブを用いた情報処理装置の構成図及びブ
ロック図を示している。構造体508の内部には本実施
例のカンチレバー型プローブ501の片持ち梁502、
マイクロティップ503及びそれらを制御するIC51
7が傾き補正機構506に取り付けられ、これに対向し
て記録媒体の基板505及び記録層504がXY走査機
構507を介して取り付けられている。XY走査機構5
07はXY走査駆動回路509に接続され、カンチレバ
ー型プローブはマイクロティップ503、媒体間制御回
路513を介してマトリクスマイクロティップ制御回路
510、片持ち梁走査駆動回路511、傾き補正回路5
12に接続されている。また、マトリクスマイクロティ
ップ制御回路510はデータの入出力を行う符号器51
4a、復合器514bとに接続されている。これらは、
マイクロコンピューター515と接続してあり、表示装
置516で情報の内容を確認できる。
【0033】ここで、書き込みデータは符号器514a
により符号化され、マトリクスマイクロティップ制御回
路510に転送し、カンチレバー型プローブ501を駆
動し記録媒体層504に書き込む。データを読み出す時
には、マイクロコンピューター515により読み出すべ
きアドレスを発生し、マトリクスマイクロティップ制御
回路510を駆動する。マトリクスマイクロティップ制
御回路510はこのアドレスに従ってカンチレバー型プ
ローブ501から複数の各マイクロティップ503から
の信号を読み出し、復合器514bに転送する。復合器
514bはこの信号からエラー検出またはエラー訂正を
行いデータを出力する。マトリクスマイクロティップ制
御回路510により、各マイクロティップ503に流れ
るトンネル電流の情報を直接読み出し、マイクロティッ
プ−記録媒体間距離制御回路513により基準位置から
のずれを検出し、個々のマイクロティップ503のZ軸
方向制御を片持ち梁走査駆動回路511により制御し、
カンチレバー型プローブ501の姿勢を正す必要がある
場合は傾き補正回路512により行う。
【0034】本実施例では記録媒体の基板505として
ガラス基板を、また、記録層504として、基板505
上にAu電極を100nm真空蒸着したものを用いた。
まずカンチレバー型プローブ501と記録媒体とを対向
させ、マイクロティップ503とAu電極からなる記録
層504とに電圧0.5V印加する。次にマイクロティ
ップ503と記録層504との間のトンネル電流値が1
nA程度になるようにカンチレバー型プローブ501の
静電駆動用電極13,14間に電圧をかけ、マイクロテ
ィップ503をZ軸に変位させる。その後、記録媒体に
摂動を加え、選択的に乱れを生じさせるために、5Vの
パルス電圧(1μsec)を加えると記録ビットが形成
される。その後、カンチレバー型プローブ501の片持
ち梁12上の2分割された静電駆動用電極14にそれぞ
れ異なる電圧を印加して、マイクロティップ503をY
方向に走査し、記録ビットを次々と記録していく。次に
この記録ビットの再生方法は、トンネル電流値が一定に
なるように、静電駆動用電極13,14間に電圧を制御
し、この静電駆動用電極間にかけた電圧を判断すること
によって、記録ビットの有無を判断することができる。
【0035】本実施例の情報処理装置により、記録情報
の書き込み、読み出し、消去を再現性良く安定にかつ高
速に行えることが確認できた。
【0036】実施例2 本実施例では、図1に示されるような本発明のカンチレ
バー型プローブを、図3に示す製造工程により作製し
た。
【0037】先ず、熱酸化膜21が5000Å形成され
たSi基板11の表面に、LP−CVD装置によってS
34 膜22を3000Å形成した(図3(a))。
次に、Si34 膜22上にLP−CVD法によりホウ
素をドープしたp−Si層を形成し、続いてエッチング
を行なって基板11側静電駆動用電極13を形成した
(図3(b))。次に、犠牲層としての酸化Si膜23
をスパッタ法で5μm厚形成した後(図3(c))、フ
ォトリソ法とウエットエッチングによりパターニングし
た(図3(d))。次に、LP−CVD法によりp−S
i膜24を0.8μm成膜し、連続してホウ素をドープ
したp−Si層31を0.1μm成膜した(図3
(e))。このp−Si層31の抵抗は1Ω/□であっ
た。このp−Si上にレジストパターンを形成した後、
エッチングを行い片持ち梁側静電駆動用電極14を形成
した(図3(f))。熱処理後、フォトリソ法とウエッ
トエッチングにより片持ち梁12をパターニングした
(図3(g))。次に、片持ち梁12上にPt,Rh,
Wなどの金属片を接着してマイクロティップ15を形成
した(図3(h))。最後に、犠牲層23をウエットエ
ッチングで除去し、カンチレバー型プローブが完成した
(図3(i))。
【0038】このカンチレバー型プローブを用いて実施
例1と同様に記録再生を行なったところ、高速、高精度
にデータの書き込み、読み出しを行なうことができた。
【0039】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のカンチレ
バー型プローブはカンチレバーを単層で形成できるた
め、内部応力による反りが発生しない。更には、剛性を
高くでき固有振動数の高いカンチレバー型プローブを得
ることができる。従って、本発明のカンチレバー型プロ
ーブは信頼性が高く、しかも応答速度も速くすることが
でき、更には、構造上マイクロティップに寄生容量が誘
起されないため、これを用いた情報処理装置では信頼性
の高い高密度、大容量の記録再生が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のカンチレバー型プローブの一例を示す
図である。
【図2】本発明のカンチレバー型プローブの製造工程の
一例を示す図である。
【図3】本発明のカンチレバー型プローブの製造工程の
一例を示す図である。
【図4】本発明の集積化したカンチレバー型プローブの
図である。
【図5】本発明の情報処理装置の構成図及びブロック図
である。
【図6】従来のカンチレバー型プローブの断面図であ
る。
【図7】従来のカンチレバー型プローブの斜視図であ
る。
【符号の説明】
11 Si基板 12 片持ち梁(カンチレバー) 13,14 静電駆動用電極 15 マイクロティップ 16 引き出し電極 21 Si熱酸化膜 22 Si34 膜 23 Si酸化膜 24 p−Si膜 31 doped p−Si膜 41 トンネル電流増幅器 42 IC 43 電極パッド 501 カンチレバー型プローブ 502 片持ち梁 503 マイクロティップ 504 記録層 505 記録媒体基板 506 傾き補正機構 507 XY走査機構 508 構造体 509 XY走査駆動回路 510 マトリクスマイクロティップ制御回路 511 片持ち梁走査駆動回路 512 傾き補正回路 513 媒体間制御回路 514a 符号器 514b 復合器 515 マイクロコンピューター 516 表示装置 517 IC 61 Siウエハー 62 電極 63 Siエピタキシャル層 64 電極 65 カンチレバー 66 絶縁層 67 引き出し電極 71 Siウエハー 72 Al電極 73 ZnO圧電体
───────────────────────────────────────────────────── 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 (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 (56)参考文献 特開 平2−38904(JP,A) 特開 平4−128603(JP,A) 特開 平4−98102(JP,A) 特開 昭57−134805(JP,A) 特開 平4−115103(JP,A) 特開 平4−27805(JP,A) 特開 昭63−91502(JP,A) 特開 平4−320918(JP,A) 特表 平3−503586(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 21/30 G01B 7/34 G01N 13/12

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電極を有する基板と、該基板上に設けら
    れたカンチレバーと、該カンチレバーの上面自由端に取
    り付けられたトンネル電流検知用マイクロティップと
    備えたカンチレバー型プローブにおいて、前記 カンチレバー半導体材料からなり、該カンチレバ
    ー上に該半導体材料への不純物拡散により少なくとも2
    つの静電駆動用電極が形成されており、前記トンネル電
    流検知用マイクロティップは、該静電駆動用電極間に配
    置されていることを特徴とするカンチレバー型プロー
    ブ。
  2. 【請求項2】 前記カンチレバーと前記基板の電極と
    が、対向した位置に配置されている請求項に記載のカ
    ンチレバー型プローブ。
  3. 【請求項3】 前記半導体材料が、シリコンである請求
    1又は2に記載のカンチレバー型プローブ。
  4. 【請求項4】 前記静電駆動用電極が、半導体材料にボ
    ロンあるいはリンを拡散させて形成した請求項1乃至3
    いずれか一項に記載のカンチレバー型プローブ。
  5. 【請求項5】 前記静電駆動用電極が、カンチレバーの
    長手方向に分割して設けられている請求項1乃至4いず
    れか一項に記載のカンチレバー型プローブ。
  6. 【請求項6】 1つの基板上に複数のカンチレバーを備
    えた請求項1乃至5いずれか一項に記載のカンチレバー
    型プローブ。
  7. 【請求項7】 マイクロティップを備えたカンチレバー
    型プローブを記録媒体に近接させ、該ティップと記録媒
    体との間に電圧を印加して情報の記録、再生あるいは消
    去を行う情報処理装置であって、前記 カンチレバー型プローブが、請求項1乃至6いずれ
    か一項に記載のカンチレバー型プローブであることを特
    徴とする情報処理装置。
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