JP3450349B2 - Cantilever probe - Google Patents

Cantilever probe

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JP3450349B2
JP3450349B2 JP10379692A JP10379692A JP3450349B2 JP 3450349 B2 JP3450349 B2 JP 3450349B2 JP 10379692 A JP10379692 A JP 10379692A JP 10379692 A JP10379692 A JP 10379692A JP 3450349 B2 JP3450349 B2 JP 3450349B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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用いられるカンチレバー
(片持ちばり)型プローブに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cantilever (cantilever beam ) type probe used for a tunnel current detecting device, a scanning tunneling microscope or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年において、導体の表面原子の電子構
造を直接観測できる走査型トンネル顕微鏡(以下、ST
Mと略す)が開発され(G.Binnig et a
l.,Phys.Rev.Lett.49(1982)
57)、単結晶、非結晶を問わず実空間像を著しく高い
分解能(ナノメートル以下)で測定できるようになっ
た。かかるSTMは、金属のプローブ(探針)と導電性
物質の間に電圧を加えて、1nm程度の距離まで近づけ
ると、その間にトンネル電流が流れることを利用してい
る。この電流は両者の距離変化に非常に敏感でかつ指数
関数的に変化するので、トンネル電流を一定に保つよう
にプローブを走査することにより実空間の表面構造を原
子オーダーの分解能で観察することができる。このST
Mを用いた解析は導電性材料に限られるが、導電性材料
の表面に薄く形成された絶縁膜の構造解析にも応用され
始めている。更に、上述の装置、手段は微小電流を検知
する方法を用いているため、媒体に損傷を与えず、かつ
低電力で観測できる利点をも有する。また、大気中での
動作も可能であるためSTMの広範囲な応用が期待され
ている。特に、特開昭63−161552号公報、特開
昭63−161553号公報等に提案されているよう
に、高密度な記録再生装置としての実用化が積極的に進
められている。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印加する電圧を変化させて
記録を行うもので有り、記録媒体としては、電圧−電流
特性においてメモリ性の有るスイッチング特性を示す材
料、たとえばカルコゲン化物類、π電子系有機化合物の
薄膜層を用いている。一方、再生については、記録を行
った領域とそうでない領域のトンネル抵抗の変化により
行っている。この記録方式を用いる記録媒体としては、
プローブに印加する電圧により記録媒体の表面形状が変
化するものでも記録再生が可能で有る。
2. Description of the Related Art In recent years, a scanning tunneling microscope (hereinafter referred to as ST
(Abbreviated as M) was developed (G. Binnig et a
l. , Phys. Rev. Lett. 49 (1982)
57), it has become possible to measure a real space image with remarkably high resolution (nanometer or less) regardless of whether it is a single crystal or a non-crystal. Such an STM utilizes that a tunnel current flows when a voltage is applied between a metal probe (probe) and a conductive substance to bring them close to a distance of about 1 nm. Since this current is very sensitive to changes in the distance between the two and changes exponentially, it is possible to observe the surface structure in real space with atomic resolution by scanning the probe so that the tunnel current is kept constant. it can. This ST
Although the analysis using M is limited to the conductive material, it has begun to be applied to the structural analysis of the insulating film thinly formed on the surface of the conductive material. Further, since the above-mentioned devices and means use the method of detecting a minute current, they have an advantage that they can be observed with low power without damaging the medium. Further, since it can be operated in the atmosphere, it is expected to have a wide range of applications of STM. In particular, as proposed in JP-A-63-161552 and JP-A-63-161553, practical application as a high-density recording / reproducing apparatus is being actively promoted. This is for recording by changing the voltage applied between the probe and the recording medium by using a probe similar to the STM, and the recording medium shows a switching characteristic having a memory property in the voltage-current characteristic. A thin film layer of a material such as chalcogenide or a π-electron organic compound is used. On the other hand, reproduction is performed by changing the tunnel resistance between the recorded area and the non-recorded area. As a recording medium using this recording method,
Recording and reproduction are possible even if the surface shape of the recording medium changes depending on the voltage applied to the probe.

【0003】さらに、記録再生システムの機能向上、特
に高速化の観点から多数のプローブを選択的に駆動し、
トンネル電流を検知することが必要となる。そのため
に、各プローブ自身が少なくとも二次元的に動かなくて
はいけない。それをみたすプローブとして、シリコン基
板を加工することにより圧電体バイモルフからなるカン
チレバー型のSTMプローブが作製されている。(T.
R.Albrechtet al.,“Microfa
brication of Integrated S
canning Tunneling Microsc
ope”,Proceedings of 4th I
nternational Conference o
n STM/STS S10−2 July 9−1
4,1989)。図13はその斜視図を示す。圧電体2
01と電極202は各々ZnO、Alで構成されてい
る。各電極間に適当なバイアスをかけることにより図
の(a)、(b)、(c)に示す様にX、Y、Z軸方
向の駆動が可能である。
Further, from the viewpoint of improving the function of the recording / reproducing system, in particular, increasing the speed, a large number of probes are selectively driven,
It is necessary to detect the tunnel current. For that purpose, each probe itself must move in at least two dimensions. As a probe that satisfies this, a cantilever-type STM probe made of a piezoelectric bimorph is manufactured by processing a silicon substrate. (T.
R. Albrecht et al. , "Microfa
brication of Integrated S
canning Tunneling Microsc
ope ", Proceedings of 4th I
international Conference o
n STM / STS S10-2 July 9-1
4, 1989). FIG. 13 shows a perspective view thereof. Piezoelectric body 2
01 and the electrode 202 are composed of ZnO and Al, respectively. Figure by applying an appropriate bias between the electrodes 1
As shown in 4 (a), (b), and (c), driving in the X, Y, and Z axis directions is possible.

【0004】また、カンチレバー型プローブの形成手段
として、半導体製造プロセス技術を用い、1つの基板上
に微細な構造を作る加工技術(K.E.Peterso
n,“Silicon as a Mechanica
l Material”,Proceedings o
f the IEEE,vol70,P420,198
2)を利用して構成したSTMが、特開昭61−206
148号公報に提案されている。これは単結晶シリコン
を基板として、微細加工により基板面と平行な方向(X
Y方向)に微動できる平行バネを形成し、更にその可動
部にプローブを形成したカンチレバー(片持ち梁)構造
の舌状部を設け、該舌状部と底面部との間に電界を与え
静電力により基板表面と直角な方向(Z方向)に変位す
るように構成されている。また、特開昭62−2811
38号公報には、特開昭61−206148号公報に開
示されたのと同様の舌状部をマルチに配列した変換器ア
レイを備えた記憶装置が記載されている。また、シリコ
ン基板を加工することにより圧電体バイモルフからなる
カンチレバー型のSTMプローブが作製されている。
(S.AKAMINE,et al.“A Plana
r Processfor Microfabrica
tion of Scanning Tunnelin
g Microscope”,Sensors and
Actuators,A21−A23(1990)9
64−970。)
Further, as a means for forming a cantilever type probe, a semiconductor manufacturing process technology is used, and a processing technology (KE Peterso) for forming a fine structure on one substrate.
n, “Silicon as a Mechanicala
l Material ”, Proceedings o
f the IEEE, vol70, P420, 198
The STM constructed by utilizing 2) is disclosed in JP-A-61-206.
Proposed in Japanese Patent Publication No. 148. This is made by using single crystal silicon as a substrate, and a direction parallel to the substrate surface (X
A parallel spring that can be moved slightly in the Y direction) is formed, and a tongue-shaped part with a cantilever (cantilever) structure in which a probe is formed is further provided in the movable part, and an electric field is applied between the tongue-shaped part and the bottom part to provide static electricity. It is configured to be displaced in a direction (Z direction) perpendicular to the substrate surface by electric power. Also, JP-A-62-2811
Japanese Unexamined Patent Publication No. 38-38 describes a storage device including a transducer array in which a plurality of tongue-shaped portions are arranged in the same manner as that disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 61-206148. Further, a cantilever type STM probe made of a piezoelectric bimorph is manufactured by processing a silicon substrate.
(S. AKAMINE, et al. “A Plana
r Process Microfabrica
tion of Scanning Tunnelin
g Microscope ”, Sensors and
Actuators, A21-A23 (1990) 9
64-970. )

【0005】[0005]

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、従
来例の圧電体バイモルフからなるカンチレバー型プロー
ブは以下のような問題点を有していた。 (イ)圧電体ZnOは空気中の水分等を吸収し特性が変
化あるいは劣化する。又、PZT等の圧電体は成膜ある
いは熱処理のために500℃以上の温度を必要とするた
め、ICと一体化したプローブの作製には不向きであ
る。 (ロ)圧電体ZnO、PZT等は柱状構造のためその薄
膜は機械的特性が低いため耐久性が低い。 (ハ)圧電体ZnO、PZT等の圧電性を高めると内部
応力が増大するため、カンチレバーのソリが増大し、又
そのばらつきも増大する。 (ニ)Y方向の変位量を大きく取ることができない。ま
た、Y方向のバイモルフ駆動に捻じれが生じ易い。
However, the conventional cantilever type probe made of the piezoelectric bimorph has the following problems. (A) The piezoelectric body ZnO absorbs moisture in the air, etc., and its characteristics change or deteriorate. Further, a piezoelectric body such as PZT requires a temperature of 500 ° C. or higher for film formation or heat treatment, and is not suitable for producing a probe integrated with an IC. (B) Piezoelectric materials such as ZnO and PZT have a columnar structure, so that the thin film has low mechanical properties and thus has low durability. (C) Increasing the piezoelectricity of the piezoelectric bodies ZnO, PZT, etc. increases the internal stress, so that the warp of the cantilever increases and its variation also increases. (D) A large amount of displacement in the Y direction cannot be taken. In addition, the bimorph drive in the Y direction is likely to be twisted.

【0006】そこで、本発明の目的は、上記従来例の問
題点に鑑みなされたもので、カンチレバー型プローブの
生産性、再現性を向上させ、もって信頼性、安定性に優
れた走査型トンネル顕微鏡、情報処理装置の実現を図る
ことにある。
An object of the present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, the productivity of the cantilever type probe, improves the reproducibility, has been reliability, excellent stability scanning tunneling The purpose is to realize a microscope and an information processing device.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段及び作用】上記課題は、以
下に述べる本発明によって解決される。
The above problems can be solved by the present invention described below.

【0008】即ち、本発明は、基板上に片持ち梁状に形
成された変位素子と、該変位素子の自由端部に配置され
た探針とを有するカンチレバー型プローブであって、該
変位素子は、支持体と、該支持体に対して対称に配置さ
れた少なくとも1対の発熱体層とで形成され、該発熱体
層の熱駆動により変位するものであり、全発熱体層に同
一電流を流すことによって伸縮し、該1対の発熱体層の
一方にのみ電流を流すことによって該伸縮の方向と直交
する方向に変位することを特徴とするカンチレバー型
ローブであり、好ましくは、上記変位素子は、一対の発
熱体層が支持体の上下面に各々設けられ、上面の1対の
発熱体層または下面の1対の発熱体層にのみ電流を流す
ことによって、前記基板面に垂直な方向に変位すること
を特徴とする上記カンチレバー型プローブであり、さら
には上記支持体の下面と上記基板面に電極を有し、静電
力によって基板面と垂直な方向に変位することを特徴
とする上記カンチレバー型プローブであり、好ましく
は、上記変位素子の伸縮及びそれに直交する方向の変位
によって、前記探針を2次元走査させることを特徴とす
る上記カンチレバー型プローブである。
That is, according to the present invention, a displacement element formed in a cantilever shape on a substrate and arranged at a free end of the displacement element.
A cantilever-type probe having a probe , the displacement element being arranged symmetrically with respect to the support.
Formed by at least one pair of heating element layers, which are displaced by thermal driving of the heating element layers, expand and contract by applying the same current to all the heating element layers,
Cantilevered flop, characterized in that the displacement in the direction perpendicular to the direction of該伸contraction whereas the by passing current only
A lobe , preferably the displacement element comprises a pair of emitters.
Heat body layers are provided on the upper and lower surfaces of the support, respectively, and a pair of upper surfaces are provided.
The current is applied only to the heating element layer or the pair of heating element layers on the lower surface.
By a the cantilever probe, characterized in that displaced in a direction perpendicular to the substrate surface, further having an electrode on the lower surface and the substrate surface of the support, the substrate surface by electrostatic forces and vertical The cantilever-type probe is characterized by displacing in various directions , preferably
Is the expansion and contraction of the displacement element and the displacement in the direction orthogonal to it.
The two-dimensional scanning of the probe by
The above cantilever probe .

【0009】[0009]

【0010】さらに本発明は、上記本発明のカンチレバ
ー型プローブを、同一基板上に複数配置したことを特徴
とする集積化カンチレバー型プローブである。
[0010] The present invention, the present onset Ming cantilever <br/> over probe is integrated cantilever probe, characterized in that a plurality arranged on the same substrate.

【0011】次に本発明を図を用いて説明する。Next, the present invention will be described with reference to the drawings.

【0012】図1は本発明のカンチレバー型変位素子を
用いたカンチレバー型プローブの一例を示す斜視図であ
る。これは、Si基板を用い通常のICプロセス技術と
Si異方性エッチング技術を用いて作製したものであ
る。図2(a)は図1のA−A’断面図であり、図2
(b)はB−B’断面図である。Si基板1に一端を固
定されたカンチレバーがあり、そのカンチレバーはノン
ドープPolySiよりなる支持体2と2対の発熱体層
3,3’,4,4’で形成されている。発熱体層はドー
プトPolySiでありpタイプあるいはnタイプの導
電型を持つ。更にこのカンチレバー上にはトンネル電流
を検知するプローブ5とその電流を取り出す電極6が形
成されている。また、図示されていないがSi基板1と
同一面上に選択的にカンチレバーを駆動しトンネル電流
を検知・増幅する回路も配置されている。2対の発熱体
層3,3’,4,4’の電流制御によりカンチレバーの
支持体2が部分的にX軸方向に伸縮するため、従来の圧
電バイモルフと同様に図1のX,Y,Z軸に駆動するこ
とが可能である。すなわち、図1のように、2対の発熱
体層3,3’,4,4’がカンチレバーの支持体2に対
して対称に構成されているので、例えば全発熱体層に同
一電流を流すことによってX軸方向に、また発熱体層
3,4のみに電流を流せばY軸方向に、また発熱体層
3,3’のみに流せばZ軸方向に駆動することができ
る。
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a cantilever type probe using the cantilever type displacement element of the present invention. This is manufactured by using a normal IC process technology and a Si anisotropic etching technology using a Si substrate. 2A is a sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
(B) is a BB 'sectional view. There is a cantilever whose one end is fixed to the Si substrate 1, and the cantilever is formed of a support 2 made of non-doped PolySi and two pairs of heating element layers 3, 3 ′, 4, 4 ′. The heating element layer is doped PolySi and has a p-type or n-type conductivity type. Further, a probe 5 for detecting a tunnel current and an electrode 6 for extracting the current are formed on the cantilever. Although not shown, a circuit for selectively driving the cantilever and detecting / amplifying the tunnel current is also arranged on the same surface as the Si substrate 1. Because the cantilever support 2 partially expands and contracts in the X-axis direction by controlling the current of the two pairs of heating element layers 3, 3 ′, 4, 4 ′, as in the conventional piezoelectric bimorph, X, Y, It is possible to drive on the Z axis. That is, as shown in FIG. 1, the two pairs of heating element layers 3, 3 ′, 4, 4 ′ are configured symmetrically with respect to the support 2 of the cantilever, so that the same current is applied to all heating element layers, for example. As a result, driving can be performed in the X-axis direction, in the Y-axis direction by applying a current only to the heating element layers 3, 4 and in the Z-axis direction by applying a current only to the heating element layers 3, 3 '.

【0013】また、図3は本発明のカンチレバー型変位
素子を用いたカンチレバー型プローブの他の例を示す斜
視図である。これも、Si基板を用い通常のICプロセ
ス技術を用いて作製したものである。図4(a)は図3
のA−A’断面図であり、図4(b)はB−B’断面図
である。Si基板1にSiO2層31を介して一端を固
定されたカンチレバーがあり、そのカンチレバーはノン
ドープPolySiよりなる支持体2と一対の発熱体層
3,3’で形成されている。発熱体層はドープトPol
ySiでありpタイプあるいはnタイプの導電型を持
つ。更に、このカンチレバー上にはトンネル電流を検知
するプローブ5とその電流を取り出す電極6が形成され
ている。又、支持体層2の下面には電極層32が設けて
有り、Si基板1上の電極33とギャップを隔てて対向
している。図示されていないがSi基板1と同一面上に
選択的にカンチレバーを駆動しトンネル電流を検知・増
幅する回路も配置されている。
FIG. 3 is a perspective view showing another example of a cantilever type probe using the cantilever type displacement element of the present invention. This is also manufactured by using a normal IC process technology using a Si substrate. FIG. 4A shows FIG.
4B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. There is a cantilever whose one end is fixed to the Si substrate 1 via a SiO 2 layer 31, and the cantilever is formed of a support 2 made of non-doped PolySi and a pair of heating element layers 3 and 3 ′. The heating element layer is doped Pol
It is ySi and has p-type or n-type conductivity. Further, a probe 5 for detecting a tunnel current and an electrode 6 for extracting the current are formed on the cantilever. An electrode layer 32 is provided on the lower surface of the support layer 2 and faces the electrode 33 on the Si substrate 1 with a gap. Although not shown, a circuit for selectively driving the cantilever and detecting / amplifying the tunnel current is also arranged on the same surface as the Si substrate 1.

【0014】発熱体層3,3’の電流制御によりカンチ
レバーの支持体2が部分的に図3のX軸方向に伸縮する
ため、Y軸方向に駆動することが可能である。次に、カ
ンチレバーの下面電極32とそれと対向してあるSi基
板1上の電極33の間に適当なバイアスを印加すると電
極間の静電力により、Z軸方向に駆動することが可能と
なる。
Since the support 2 of the cantilever partially expands and contracts in the X-axis direction of FIG. 3 by controlling the current of the heating element layers 3 and 3 ', it can be driven in the Y-axis direction. Next, when an appropriate bias is applied between the lower surface electrode 32 of the cantilever and the electrode 33 on the Si substrate 1 facing the lower surface electrode 32, it is possible to drive in the Z-axis direction by the electrostatic force between the electrodes.

【0015】図1あるいは図3に示したような、本発
カンチレバー型変位素子を用いたカンチレバー型プロ
ーブでは、圧電体膜を用いていないため、空気中の水分
等の吸収による特性の変化あるいは劣化が発生しない。
また、従来の圧電体膜のような柱状構造を有しないた
め、機械的強度や耐久性を高くすることが可能である。
さらには、素子形成時の内部応力が減少し、カンチレバ
ーの反りを低減することができる。
[0015] as shown in FIG. 1 or FIG. 3, the onset Akira
In the cantilever type probe using the cantilever type displacement element, since the piezoelectric film is not used, the characteristics are not changed or deteriorated due to absorption of moisture in the air.
Further, since it does not have a columnar structure like the conventional piezoelectric film, it is possible to enhance mechanical strength and durability.
Furthermore, the internal stress at the time of forming the element is reduced, and the warp of the cantilever can be reduced.

【0016】[0016]

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。EXAMPLES Examples of the present invention will be described below.

【0017】実施例1 本実施例では、図1に示した本発明のカンチレバー型変
位素子を用いたカンチレバー型プローブを作製した。こ
の作製方法を図を用いて説明する。まず(100)n
型Si基板1にLPCVD装置で後工程でのSi異方性
エッチングのマスク層としてSiナイトライド81を成
膜し(図(a)参照)、次にLPCVD装置でノンド
ープPolySiを成膜しレジストパターニング後イオ
ンインプラ装置でドーパントとしてBあるいはPを打ち
込み、発熱体層3,3’を形成する(図(b)参
照)。同様に、LPCVD装置でノンドープPolyS
iを前よりも厚く成膜しレジストパターニング後インプ
ラ装置でBあるいはPを打ち込み、発熱体層4,4’を
形成する(図(c)参照)。次に、トンネル電流検知
用プローブ5とトンネル電流引き出し用の電極6を形成
し、裏面のSiナイトライド81をパターニングし、カ
ンチレバー形成のための窓明けを行う(図(d)参
照)。最後に、異方性エッチングでSi基板1をエッチ
ングし、Siナイトライド81を除去する(図(e)
参照)。発熱体層3,3’,4,4’のパターンとして
は色々あるが、例えば図(a),(b)のようにする
ことができる。
[0017] EXAMPLE 1 In this example, to prepare a cantilever type probe using the onset bright cantilever type displacement element shown in FIG. This manufacturing method will be described with reference to FIG. First, (100) n
Forming a Si nitride 81 as a mask layer of Si anisotropic etching in a later step in the LPCVD apparatus type Si substrate 1 (see FIG. 5 (a)), then forming a non-doped PolySi in LPCVD apparatus resist implanting B or P as a dopant patterning after the ion implantation apparatus, to form the heat generating layer 3, 3 '(see Figure 5 (b)). Similarly, using an LPCVD apparatus, undoped PolyS
i implanting B or P in the resist after patterning implantation device is formed thicker than before, to form the heat generating layer 4, 4 '(see FIG. 5 (c)). Then, a tunneling current detection probe 5 and the electrodes 6 of the tunnel current drawer, patterning the back surface of the Si nitride 81 performs Apertures for cantilever formed (see FIG. 5 (d)). Finally, the Si substrate 1 by anisotropic etching is etched to remove the Si nitride 81 (see FIG. 5 (e)
reference). There are various patterns of the heating element layers 3, 3 ', 4, 4', but for example, they can be set as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b).

【0018】カンチレバーの駆動は、発熱体層3,
3’,4,4’がカンチレバーの支持体2に対して対称
に構成されているので、例えば全発熱体層に同一電流を
流すことによって図1のX方向に、また発熱体層3,4
のみに電流を流せばY方向に、また発熱体層3,3’の
みに電流を流せばZ方向に駆動することができる。
The cantilever is driven by the heating element layer 3,
Since 3 ', 4, 4'are configured symmetrically with respect to the support 2 of the cantilever, for example, by applying the same current to all the heating element layers, in the X direction of FIG.
It can be driven in the Y direction by passing a current only through it, and can be driven in the Z direction by passing a current through only the heating element layers 3 and 3 '.

【0019】次に上記カンチレバー型プローブを用いた
走査型トンネル顕微鏡について説明する。
Next, a scanning tunnel microscope using the above cantilever type probe will be described.

【0020】図は、本発明による本実施例の走査型ト
ンネル顕微鏡の概略図である。101は、上記カンチレ
バー型プローブ102を形成したシリコン基板、105
はシリコン基板101をZ方向に駆動する粗動用圧電素
子、114はZ方向粗動用圧電素子105及びカンチレ
バー型プローブ102を試料表面に接近させる接近機
構、103は表面観察する導電性の試料で、104は試
料103をXY方向に微動するXY微動機構である。
FIG. 7 is a schematic view of a scanning tunneling microscope of this embodiment according to the present invention. 101 is a silicon substrate on which the cantilever type probe 102 is formed, 105
Reference numeral 104 indicates a coarse movement piezoelectric element that drives the silicon substrate 101 in the Z direction, 114 indicates an approach mechanism that brings the Z direction coarse movement piezoelectric element 105 and the cantilever type probe 102 close to the sample surface, and 103 indicates a conductive sample for surface observation. Is an XY fine movement mechanism for finely moving the sample 103 in the XY directions.

【0021】上記の走査型トンネル顕微鏡の動作を以下
に説明する。接近機構114は、Z方向の移動ステージ
からなり、手動またはモーターにより、カンチレバー型
プローブ102のプローブが試料103の表面にZ方向
粗動用圧電素子105のストローク内に入るように接近
させる。その際、顕微鏡を用いて、目視により接近の程
度をモニターするか、もしくはカンチレバー型プローブ
102にサーボをかけた状態でモーターにより自動送り
を行い、プローブと試料間にトンネル電流が流れるのを
検出した時点で接近を停止する。試料103の観察時に
は、バイアス回路106によりバイアス電圧をかけられ
た試料103とプローブとの間に流れるトンネル電流を
トンネル電流検出回路107により検出し、Z軸方向サ
ーボ回路110を通してプローブと試料表面の平均距離
が一定となるようにカンチレバー型プローブ102をZ
方向に制御している。その状態でカンチレバー型プロー
ブ102をXY位置制御回路109でXY方向に走査す
ることにより試料表面の微小な凹凸により変化したトン
ネル電流が検出され、それを制御回路112に取り込
み、XY走査信号に同期して処理すればコンスタントハ
イトモードのSTM像が得られる。STM像は、画像処
理、たとえば2次元FETなどの処理をしてディスプレ
イ113に表示される。その際、カンチレバー型プロー
ブ102のZ方向のクロストークが小さいので、装置の
温度ドリフト、試料103の表面の凹凸、傾きが大きい
と追従できなくなるため、Z方向粗動用圧電素子105
を用いてトンネル電流検出回路107の信号をZ方向粗
動駆動回路111を通して、0.01〜0.1Hz程度
の領域のフィードバックを行い、Z方向の大きな動きに
追従するように制御している。また観察場所を変えると
きは、試料側のXY微動機構104をXY微動駆動回路
115によりXY方向に移動させ、所望の領域にプロー
ブが来るようにして観察を行う。
The operation of the above scanning tunneling microscope will be described below. The approach mechanism 114 is composed of a Z-direction moving stage, and the probe of the cantilever type probe 102 is brought close to the surface of the sample 103 within the stroke of the Z-direction coarse-movement piezoelectric element 105 manually or by a motor. At that time, the degree of approach was visually observed using a microscope, or automatic feeding was performed by a motor while the cantilever type probe 102 was servoed, and it was detected that a tunnel current flowed between the probe and the sample. Stop approaching at that point. At the time of observing the sample 103, the tunnel current flowing between the sample 103 and the probe to which the bias voltage is applied by the bias circuit 106 is detected by the tunnel current detection circuit 107, and the average of the probe and the sample surface is passed through the Z-axis direction servo circuit 110. Z the cantilever type probe 102 so that the distance becomes constant.
You are controlling in the direction. In this state, the cantilever type probe 102 is scanned in the XY direction by the XY position control circuit 109 to detect a tunnel current changed due to minute unevenness on the sample surface, and the tunnel current is taken into the control circuit 112 and synchronized with the XY scanning signal. If processed, an STM image in constant height mode can be obtained. The STM image is displayed on the display 113 after being subjected to image processing, such as processing by a two-dimensional FET. At this time, since the crosstalk in the Z direction of the cantilever probe 102 is small, it cannot be followed when the temperature drift of the device, the unevenness of the surface of the sample 103, and the inclination are large, and therefore the piezoelectric element 105 for coarse Z direction movement.
Is used to feed back the signal of the tunnel current detection circuit 107 through the Z-direction coarse movement drive circuit 111 in the range of about 0.01 to 0.1 Hz to control so as to follow a large movement in the Z direction. When changing the observation location, the XY fine movement mechanism 104 on the sample side is moved in the XY directions by the XY fine movement drive circuit 115 so that the probe comes to a desired area for observation.

【0022】この装置にて、試料103にHOPG(グ
ラファイト)板を用いて表面観察を行なった。バイアス
回路106にて200mVの直流電圧をプローブと試料
の間に加え、この状態で試料に沿ってプローブを走査し
てトンネル電流検出回路107を用いて検出される信号
より表面観察を行なった。スキャンエリアを0.05μ
m×0.05μmとして観察したところ、良好な原子像
を得ることができ、STMの原理による動作が確認され
表面観察動作が確認された。
With this apparatus, the surface of the sample 103 was observed using a HOPG (graphite) plate. A direct current voltage of 200 mV was applied between the probe and the sample by the bias circuit 106, the probe was scanned along the sample in this state, and the surface was observed from the signal detected by the tunnel current detection circuit 107. Scan area is 0.05μ
When observed with m × 0.05 μm, it was possible to obtain a good atomic image, the operation based on the STM principle was confirmed, and the surface observation operation was confirmed.

【0023】次に、図1に示した本発明のカンチレバー
型プローブを、同一基板上に複数個作製した集積化カン
チレバー型プローブを用いた、情報処理装置について説
明する。同一基板上に形成された上記集積化カンチレバ
ー型プローブの模式図を図に示す。基板1としてシリ
コン基板を用い、X−シフトレジスタ117、Y−シフ
トレジスタ118、静電容量、スイッチ素子、増幅器等
を含んだ回路部119、プローブ電極5、カンチレバー
120、マトリクス配線121などにより集積化カンチ
レバー型プローブが構成されている。122は信号線を
接続するためのボンディングパッドである。このボンデ
ィングパッドは、基板1の一つの辺もしくは対向する二
つの辺に配置する。これにより、ボンディングパッドと
平行する方向に記録媒体を移動し記録再生を行う。
Next, this onset Ming cantilever probe shown in FIG. 1, with integrated cantilever probe in which a plurality fabricated on the same substrate, an information processing apparatus will be described. FIG. 8 shows a schematic diagram of the integrated cantilever type probe formed on the same substrate. A silicon substrate is used as the substrate 1, and integrated by an X-shift register 117, a Y-shift register 118, a circuit portion 119 including an electrostatic capacitance, a switch element, an amplifier, etc., a probe electrode 5, a cantilever 120, a matrix wiring 121, and the like. A cantilever type probe is constructed. 122 is a bonding pad for connecting a signal line. This bonding pad is arranged on one side of the substrate 1 or on two opposite sides. As a result, the recording medium is moved in the direction parallel to the bonding pad to perform recording / reproduction.

【0024】図の実施形態は、シリコン基板を用いて
駆動素子を一体に形成しているが、これはシリコン基板
に限定されることはなく、サファイア基板上にシリコン
薄膜をエピタキシャル成長させたウエハーを用いてもよ
いし、さらには石英基板上に成長したポリシリコン薄
膜、固相エピ膜等あらゆる形態の半導体層及び基板を用
いることができる。
In the embodiment of FIG. 8 , the driving element is integrally formed by using the silicon substrate, but this is not limited to the silicon substrate, and a wafer in which a silicon thin film is epitaxially grown on a sapphire substrate is used. It may be used, and further, a semiconductor layer and a substrate of any form such as a polysilicon thin film grown on a quartz substrate, a solid phase epilayer, etc. can be used.

【0025】図に上記集積化カンチレバー型プローブ
を用いた情報処理装置のブロック構成図を示す。123
は集積化カンチレバー型プローブ、124は集積化カン
チレバー型プローブ123をXY面内に走査するアクチ
ュエータ、125は走査回路である。126は記録媒
体、127は集積化カンチレバー型プローブ123の各
プローブ電極5がそれぞれ均等に記録媒体126に設置
される様に記録媒体126の傾きを補正するアクチュエ
ータ、128は傾き補正回路である。また、129はこ
れらの部材を支持する構造体である。
FIG. 9 shows a block diagram of an information processing apparatus using the integrated cantilever type probe. 123
Is an integrated cantilever type probe, 124 is an actuator for scanning the integrated cantilever type probe 123 in the XY plane, and 125 is a scanning circuit. Reference numeral 126 is a recording medium, 127 is an actuator for correcting the inclination of the recording medium 126 so that the probe electrodes 5 of the integrated cantilever type probe 123 are evenly installed on the recording medium 126, and 128 is an inclination correction circuit. 129 is a structure that supports these members.

【0026】集積化カンチレバー型プローブ123の制
御は、プローブヘッド制御回路130により行う。書き
込みデータは符号器131aにより符号化され、プロー
ブヘッド制御回路130に転送し、集積化カンチレバー
型プローブ123を駆動し記録媒体126に書込む。デ
ータ読出しを行う場合は、図示せぬプロセッサにより読
出すべきアドレスを発生し、プローブヘッド制御回路1
30を駆動する。プローブヘッド制御回路130はこの
アドレスに従い集積化カンチレバー型プローブ123よ
り各プローブの信号を読出し復合器131bに転送す
る。復号器131b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出力する。
The integrated cantilever type probe 123 is controlled by the probe head control circuit 130. The write data is encoded by the encoder 131a, transferred to the probe head control circuit 130, and drives the integrated cantilever type probe 123 to write it on the recording medium 126. When reading data, an address to be read is generated by a processor (not shown), and the probe head control circuit 1
Drive 30. The probe head control circuit 130 reads the signal of each probe from the integrated cantilever type probe 123 according to this address and transfers it to the decoder / combiner 131b. The decoder 131b performs error detection or error correction from this signal and outputs data.

【0027】プローブ,媒体間の距離制御、及び集積化
カンチレバー型プローブの傾き制御は、上記と同じよう
に、プローブヘッド制御回路130により、各プローブ
電極に流れるトンネル電流の情報を直接読出し、プロー
ブ・媒体間距離制御回路132により基準位置からのず
れを検出し、個々のプローブ電極のZ方向制御はカンチ
レバー駆動回路133により制御し、集積化カンチレバ
ー型プローブの姿勢を正す必要のある場合は傾き補正回
路128により行う。
In order to control the distance between the probe and the medium and to control the tilt of the integrated cantilever type probe, the probe head control circuit 130 directly reads the information of the tunnel current flowing through each probe electrode in the same manner as described above. The inter-medium distance control circuit 132 detects the deviation from the reference position, and the Z direction control of each probe electrode is controlled by the cantilever drive circuit 133. When it is necessary to correct the posture of the integrated cantilever type probe, the tilt correction circuit is provided. 128.

【0028】図10に図の書込み・読出しのためのプ
ローブヘッド制御回路130の詳細ブロック構成図を示
す。
[0028] Figure 10 shows a detailed block diagram of the probe head control circuit 130 for writing and reading of FIG.

【0029】各プローブ電極をアクセスするタイミング
は走査クロック134を基準に行う。個々の走査クロッ
クを集積化カンチレバー型プローブのクロック信号CL
K_Yとし、さらにYアドレスカウンタ135に入力す
る。このYアドレスカウンタ135は、集積化カンチレ
バー型プローブのYシフトレジスタの段数と同一のカウ
ント数を持つ。Yアドレスカウンタ135のキャリー出
力は、集積化カンチレバー型プローブのクロック信号C
LK_Xとし、さらにXアドレスカウンタ136に入力
する。このXアドレスカウンタ136は、集積化カンチ
レバー型プローブのXシフトレジスタの段数と同一のカ
ウント数を持つ。これらX,Yアドレスカウンタのカウ
ント出力をプローブアドレス137とする。
The timing for accessing each probe electrode is based on the scanning clock 134. Clock signal CL of the cantilever type probe that integrates each scanning clock
K_Y, and further input to the Y address counter 135. The Y address counter 135 has the same number of counts as the number of stages of the Y shift register of the integrated cantilever type probe. The carry output of the Y address counter 135 is the clock signal C of the integrated cantilever type probe.
LK_X, and further input to the X address counter 136. The X address counter 136 has the same count number as the number of stages of the X shift register of the integrated cantilever type probe. The count output of these X and Y address counters is used as the probe address 137.

【0030】集積化カンチレバー型プローブからの読出
し出力Voutはコンパレータ138に入力する。コン
パレータ138は、Vref139を基準電圧として二
値化する。この二値化出力は、プローブアドレス137
により指定されるプローブ制御テーブル140の記録ユ
ニットに書込まれる。
The read output Vout from the integrated cantilever type probe is input to the comparator 138. The comparator 138 binarizes Vref 139 as a reference voltage. This binary output is the probe address 137.
Is written in the recording unit of the probe control table 140 designated by.

【0031】プローブ制御テーブル140〜142は、
集積化カンチレバー型プローブのプローブ数と同数の記
録ユニットで構成された一時保存メモリを1ページと
し、1〜数ページを持つ。各記録ユニットは、集積化カ
ンチレバー型プローブから読出した記録データ論理値の
ほか、読出し、ON書込み、OFF書込み、または消去
の各動作を指示する駆動状態などの少なくとも6値の論
理値を記録する。
The probe control tables 140-142 are
The temporary storage memory composed of the same number of recording units as the number of probes of the integrated cantilever type probe has one page, and has one to several pages. Each recording unit records not only the recording data logical value read from the integrated cantilever type probe but also at least 6-valued logical value such as a driving state instructing each operation of reading, ON writing, OFF writing, or erasing.

【0032】集積化カンチレバー型プローブのアクセス
に際しては、このプローブ制御テーブルの各ユニットの
駆動状態値に従って対応するプローブ電極を制御するよ
うにΦr,Φd,Φw信号を生成する。
When accessing the integrated cantilever type probe, Φr, Φd and Φw signals are generated so as to control the corresponding probe electrode according to the drive state value of each unit of the probe control table.

【0033】集積化カンチレバー型プローブよりデータ
の読出しを行う場合は、まずプローブ電極を記録媒体の
所定の位置に走査する。次に、図示せぬホスト制御CP
Uによりデータバス、及びアドレスバス143を介して
プローブ制御テーブル140〜142のデータを読出す
べきプローブのアドレスに対応する記録ユニットに読出
し動作の駆動状態値を登録する。集積化カンチレバー型
プローブの一連の読出し動作が終了した後、先に指定し
たプローブアドレスの記録ユニットの読出しデータ論理
値を読出し、復号器131bによりエラー検出もしくは
エラー訂正を行い読出し動作が完了する。
When reading data from the integrated cantilever type probe, first, the probe electrode is scanned to a predetermined position on the recording medium. Next, a host control CP (not shown)
By U, the drive state value of the read operation is registered in the recording unit corresponding to the address of the probe to read the data of the probe control tables 140 to 142 via the data bus and the address bus 143. After a series of read operations of the integrated cantilever type probe is completed, the read data logical value of the recording unit of the previously designated probe address is read, and the decoder 131b performs error detection or error correction to complete the read operation.

【0034】また、書込みを行う場合は入力データを符
号器131aにより符号化した後、プローブ制御テーブ
ル140〜142に符号語の論理値を駆動状態値として
記録ユニットに登録する。この登録された論理データを
もとに順次書込み信号を集積化カンチレバー型プローブ
に転送する。
When writing is performed, the input data is encoded by the encoder 131a, and then the logical value of the code word is registered in the recording unit as a drive state value in the probe control tables 140 to 142. Write signals are sequentially transferred to the integrated cantilever type probe based on the registered logical data.

【0035】ここで、一つの記録ユニットはページ毎の
アクセスサイクルに対し、連続して書込み、または消去
動作を登録しない。すなわち、一つのプローブ電極は連
続して書込み動作を許可せず、必ず読出し動作を行いな
がら書込み消去が行われる。これはプローブ電極と記録
媒体との間隔の制御を読出し時の信号振幅により制御す
るために必要である。
Here, one recording unit does not continuously register the write or erase operation for the access cycle for each page. That is, one probe electrode does not permit the write operation continuously, and the write operation is always performed while the write operation is performed. This is necessary to control the distance between the probe electrode and the recording medium by controlling the signal amplitude during reading.

【0036】さらに、1ページ中の全ての記録ユニット
に書込み、または消去登録を行わない。すなわち、集積
化カンチレバー型プローブのマトリックス配置された全
てのプローブ電極が同時に書込み動作を行うことはな
い。これは集積化カンチレバー型プローブが常に記録媒
体に平行保持するように傾き制御するために必要であ
る。
Further, neither writing nor erasure registration is performed on all the recording units in one page. That is, all the probe electrodes arranged in the matrix of the integrated cantilever type probe do not simultaneously perform the writing operation. This is necessary to control the tilt of the integrated cantilever type probe so that it is always held parallel to the recording medium.

【0037】これらのプローブ電極のZ方向の制御及び
プローブヘッドの傾き制御は、Vout信号より生成さ
れるトンネル電流相当信号Jtと、Φr,Φd,Φwの
各信号より生成される信号属性、及びプローブアドレス
とで構成されるプローブ制御信号群144を用いプロー
ブ・媒体間距離制御回路132により行う。すなわち、
プローブ・媒体間距離制御回路132はプローブ制御テ
ーブルを参照し読出し動作状態にあるプローブの出力信
号Voutをもとにカンチレバー駆動回路133及び傾
き補正回路128を駆動する。
The Z direction control of the probe electrode and the tilt control of the probe head are performed by the tunnel current equivalent signal Jt generated from the Vout signal and the signal attributes generated from the signals Φr, Φd, and Φw, and the probe. This is performed by the probe / medium distance control circuit 132 using a probe control signal group 144 composed of an address. That is,
The probe-medium distance control circuit 132 refers to the probe control table and drives the cantilever drive circuit 133 and the tilt correction circuit 128 based on the output signal Vout of the probe in the read operation state.

【0038】尚、本実施例で用いているカンチレバーは
プローブ電極のほかに、熱駆動アクチュエータを有し、
個々にプローブ電極・記録媒体間の距離制御が行えるよ
うになっている。また、これらのアクチュエータは、集
積化カンチレバー型プローブに設けられた図示せぬ回路
によりカンチレバー駆動回路133より送られた信号に
より駆動される。
The cantilever used in this embodiment has a thermal drive actuator in addition to the probe electrode,
The distance between the probe electrode and the recording medium can be controlled individually. Further, these actuators are driven by signals sent from the cantilever driving circuit 133 by a circuit (not shown) provided in the integrated cantilever type probe.

【0039】上述のプローブ制御テーブルに基づいた書
込み・読出し制御方法を用いることにより、読出し状態
におくプローブ電極の配置を自在に、かつ全てのプロー
ブ電極が一様な書込み・読出し比率になるように制御す
ることができる。この制御により書込み・消去のデータ
に依らずに安定、高速かつ信頼性よくプローブのZ,Y
方向制御を行うことができる。
By using the writing / reading control method based on the above-mentioned probe control table, the probe electrodes in the reading state can be freely arranged and all the probe electrodes have a uniform writing / reading ratio. Can be controlled. With this control, the Z, Y of the probe can be stable, fast and reliable without depending on the written / erased data.
Directional control can be performed.

【0040】その結果、上記情報処理装置では、カンチ
レバーの駆動特性、トンネル電流検知特性等が大きく向
上し、高速で安定な、更に信頼性の高い情報の記録,再
生,消去を行うことができた。
As a result, in the above information processing apparatus, the drive characteristics of the cantilever, the tunnel current detection characteristics, etc. were greatly improved, and high-speed, stable, and highly reliable information recording, reproduction, and erasing could be performed. .

【0041】実施例2 本実施例で作製したカンチレバー型プローブの斜視図を
11に示す。実施例1と異なる点は、発熱体層3,
3’,4,4’をドーパントPolySiに換えて、比
較的高抵抗な金属例えばTa,W,Mo等を用い、ま
た、カンチレバーの支持体2としてPolySiあるい
はSiO2を用いたことである。カンチレバーの駆動は
実施例1と同様、発熱体層3,3’,4,4’の電流制
御により可能である。本実施例においても発熱体層のパ
ターンは図(a),(b)のようにしても良い。
Example 2 FIG. 11 is a perspective view of the cantilever type probe manufactured in this example. The difference from the first embodiment is that the heating element layer 3,
3 ', 4, 4'is replaced with a dopant PolySi, a metal having a relatively high resistance such as Ta, W, Mo is used, and PolySi or SiO 2 is used as the support 2 of the cantilever. The drive of the cantilever can be performed by controlling the current of the heating element layers 3, 3 ′, 4, 4 ′ as in the first embodiment. Also in this embodiment, the pattern of the heating element layer may be as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b).

【0042】次に、実施例1と同様に、図に示したよ
うな上記カンチレバー型プローブを用いた走査型トンネ
ル顕微鏡で、試料103にHOPG(グラファイト)板
を用いて表面観察を行なったところ、実施例1と同様に
良好な原子像を得ることができた。
Next, as in Example 1, the surface of the sample 103 was observed with a scanning tunneling microscope using the above cantilever type probe as shown in FIG. 7 using a HOPG (graphite) plate. A good atomic image could be obtained as in Example 1.

【0043】また、上記カンチレバー型プローブを、図
に示したように同一基板上に複数個形成して集積化カ
ンチレバー型プローブを作製した。また、実施例1と同
様に図に示したような、上記集積化カンチレバー型プ
ローブを用いた情報処理装置においても、実施例1と同
様に高速で信頼性の高い情報の記録,再生,消去を行う
ことができた。
Further, the above cantilever type probe is shown in FIG.
As shown in FIG. 8 , a plurality of integrated cantilever type probes were formed on the same substrate. Similarly to the first embodiment, in the information processing device using the integrated cantilever type probe as shown in FIG. 9 as well, similar to the first embodiment, high-speed and highly reliable information recording, reproduction and erasing are performed. Could be done.

【0044】実施例3 実施例では、図3に示した本発明のカンチレバー型変
位素子を用いたカンチレバー型プローブを作製した。こ
の作製方法を図12を用いて説明する。
[0044] EXAMPLE 3 In this example, to produce a cantilever type probe using the onset bright cantilever type displacement element shown in FIG. This manufacturing method will be described with reference to FIG. 12.

【0045】まず(100)n型Si基板1にイオンイ
ンプラ装置でドーパントとしてBを打ち込み、炉で熱処
理し電極層33を形成し、CVD装置で犠牲層となるS
iO2層31をその上に形成する(図12(a)参
照)。その後、Au等の金属材32を成膜パターニング
する(図12(b)参照)。次に、LPCVD装置でノ
ンドープPolySiを成膜し、レジストパターニング
後、イオンインプラ装置でドーパントとしてBあるいは
Pを打ち込みノンドープ層2とドープト層である発熱体
層3,3’を形成する。更に、LPCVD装置でノンド
ープPolySiを成膜し、パターニングする(図12
(c)参照)。トンネル電流検知用プローブ5と引き出
し用電極6を形成し、レジストパターニング後カンチレ
バー下部のSiO2を除去するとカンチレバー型プロー
ブが形成される(図12(d)参照)。発熱体層3,
3’のパターンとしては色々あるが、例えば図
(a),(b)のようにすることができる。
First, ion implantation was performed on the (100) n-type Si substrate 1.
Inject B as a dopant in a sampler device and heat in a furnace
To form a sacrificial layer by a CVD apparatus.
iO2A layer 31 is formed thereon (see FIG.12(A) Ginseng
See). After that, a metal material 32 such as Au is formed and patterned.
To (figure12(See (b)). Next, use the LPCVD equipment.
Undoped PolySi film is formed and resist patterning
After that, in the ion implantation system, B as a dopant or
Heating element which is P-implanted non-doped layer 2 and doped layer
Form layers 3, 3 '. In addition, the LPCVD equipment
PolySi film is formed and patterned (Fig.12
(See (c)). Extraction with the tunnel current detection probe 5
After forming the electrode 6 for etching, patterning after resist patterning
SiO under the bar2Cantilever type probe
Is formed (Fig.12(See (d)). Heating element layer 3,
There are various 3'patterns, for example6
(A) and (b) can be used.

【0046】カンチレバーの駆動は、例えば発熱体層
3,3’の電流制御により図3のY軸方向、また、カン
チレバーの下面電極32とそれと対向してあるSi基板
1上の電極33の間に適当なバイアスを印加すると電極
間の静電力により、Z軸方向に駆動することが可能とな
る。
The drive of the cantilever is carried out, for example, by controlling the current of the heating element layers 3 and 3'in the Y-axis direction of FIG. 3, and between the lower electrode 32 of the cantilever and the electrode 33 on the Si substrate 1 facing the lower electrode 32. When an appropriate bias is applied, it is possible to drive in the Z-axis direction by the electrostatic force between the electrodes.

【0047】次に、実施例1と同様に、図に示したよ
うな上記カンチレバー型プローブを用いた走査型トンネ
ル顕微鏡で、試料103にHOPG(グラファイト)板
を用いて表面観察を行なったところ、実施例1と同様に
良好な原子像を得ることができた。
Next, as in Example 1, the surface of the sample 103 was observed with a scanning tunneling microscope using the above cantilever type probe as shown in FIG. 7 using a HOPG (graphite) plate. A good atomic image could be obtained as in Example 1.

【0048】また、上記カンチレバー型プローブを、図
に示したように同一基板上に複数個形成して集積化カ
ンチレバー型プローブを作製した。また、実施例1と同
様に図に示したような、上記集積化カンチレバー型プ
ローブを用いた情報処理装置においても、実施例1と同
様に高速で信頼性の高い情報の記録,再生,消去を行う
ことができた。
Further, the above cantilever type probe is shown in FIG.
As shown in FIG. 8 , a plurality of integrated cantilever type probes were formed on the same substrate. Similarly to the first embodiment, in the information processing device using the integrated cantilever type probe as shown in FIG. 9 as well, similar to the first embodiment, high-speed and highly reliable information recording, reproduction and erasing are performed. Could be done.

【0049】実施例4 実施例では、図3に示した本発明のカンチレバー型変
位素子を用いたカンチレバー型プローブを作製した。実
施例3と異なる点は、発熱体層3,3’をドーパントP
olySiに換えて、比較的高抵抗な金属例えばTa,
W,Mo等を用い、また、カンチレバーの支持体2とし
てPolySiあるいはSiO2を用いたことである。
カンチレバーの駆動は、実施例3と同様、発熱体層3,
3’の電流制御によりY軸方向、カンチレバー下面の電
極32とSi基板1上の電極33間のバイアス印加によ
りZ軸方向に行うことができる。本実施例においても発
熱体層のパターンは図(a),(b)のようにしても
良い。
[0049] EXAMPLE 4 In this example, to produce a cantilever type probe using the onset bright cantilever type displacement element shown in FIG. The difference from the third embodiment is that the heating element layers 3 and 3'are made of the dopant P.
Instead of oliSi, a metal having a relatively high resistance such as Ta,
That is, W, Mo or the like was used, and PolySi or SiO 2 was used as the support 2 of the cantilever.
The driving of the cantilever is similar to that of the third embodiment, and the heating element layer 3,
It can be performed in the Y-axis direction by controlling the current 3 ', and in the Z-axis direction by applying a bias between the electrode 32 on the lower surface of the cantilever and the electrode 33 on the Si substrate 1. Also in this embodiment, the pattern of the heating element layer may be as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b).

【0050】次に、実施例1と同様に、図に示したよ
うな上記カンチレバー型プローブを用いた走査型トンネ
ル顕微鏡で、試料103にHOPG(グラファイト)板
を用いて表面観察を行なったところ、実施例1と同様に
良好な原子像を得ることができた。
Next, in the same manner as in Example 1, the surface of the sample 103 was observed with a scanning tunneling microscope using the above cantilever probe as shown in FIG. 7 using a HOPG (graphite) plate. A good atomic image could be obtained as in Example 1.

【0051】また、上記カンチレバー型プローブを、図
に示したように同一基板上に複数個形成して集積化カ
ンチレバー型プローブを作製した。また、実施例1と同
様に図に示したような、上記集積化カンチレバー型プ
ローブを用いた情報処理装置においても、実施例1と同
様に高速で信頼性の高い情報の記録,再生,消去を行う
ことができた。
Further, the above cantilever type probe is
As shown in FIG. 8 , a plurality of integrated cantilever type probes were formed on the same substrate. Similarly to the first embodiment, in the information processing device using the integrated cantilever type probe as shown in FIG. 9 as well, similar to the first embodiment, high-speed and highly reliable information recording, reproduction and erasing are performed. Could be done.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上説明したように、本発明のカンチレ
バー型変位素子あるいはカンチレバー型プローブでは、
以下の効果を有する。本発明のカンチレバー型変位素子
は、熱駆動を行うことで、圧電体膜を用いないため、空
気中の水分等の吸収による特性の変化あるいは劣化が発
生しない。また、従来の圧電体膜のような柱状構造を有
しないため、機械的強度や耐久性を高めることが可能と
なり、さらには、素子形成時の内部応力が低下し、カン
チレバーの反りを低減することができる。また、これを
用いたカンチレバー型プローブは、信頼性の高い検出素
子となった。
As described above, according to the cantilever type displacement element or the cantilever type probe of the present invention,
It has the following effects. Since the cantilever type displacement element of the present invention is thermally driven and does not use the piezoelectric film, the characteristic change or deterioration due to absorption of moisture in the air does not occur. In addition, since it does not have a columnar structure like the conventional piezoelectric film, it is possible to improve mechanical strength and durability, and further, the internal stress at the time of element formation is reduced, and the warp of the cantilever is reduced. You can Moreover, the cantilever type probe using this became a highly reliable detection element.

【0053】また、本発明による上記カンチレバー型プ
ローブあるいは、これを同一基板上に複数集積してなる
集積化カンチレバー型プローブを用いた走査型トンネル
顕微鏡では高速かつ信頼性の高い像観察が可能となる。
[0053] Further, the present invention the cantilever probe or by, this allows fast and reliable image observation is run査型tunneling microscope using multiple integrated and formed by integrating a cantilever type probe on the same substrate as the Become.

【0054】さらに、上記カンチレバー型プローブ、集
積化カンチレバー型プローブを用いた情報処理装置は、
高速で記録再生等を行うことができるとともに、エラー
の発生の少ない信頼性の高い装置となる。
[0054] Further, the information processing apparatus using the cantilever probe, the integrated cantilever probe,
It becomes a highly reliable device that can perform recording and reproduction at high speed and has few errors.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明のカンチレバー型変位素子を用いたカン
チレバー型プローブの一例を示す斜視図である。
1 is a perspective view showing an example of the onset Ming cantilever probe with a cantilever type displacement element.

【図2】図1の各切断面での断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along each section of FIG.

【図3】本発明のカンチレバー型変位素子を用いたカン
チレバー型プローブの他の例を示す斜視図である。
3 is a perspective view showing another example of a cantilever type probe using the onset bright cantilever type displacement element.

【図4】図の各切断面での断面図である。4 is a sectional view at the cutting plane of FIG.

【図5】実施例1のカンチレバー型プローブの作製方法
を説明するための図である。
5A and 5B are views for explaining a method of manufacturing the cantilever type probe of Example 1.

【図6】本発明のカンチレバー型変位素子における発熱
体層のパターンの一例を示した図である。
6 is a diagram showing an example of a pattern of the heat generating layer in this onset bright cantilever type displacement element.

【図7】本発明による走査型トンネル顕微鏡の概略図の
一例である。
FIG. 7 is an example of a schematic view of a scanning tunneling microscope according to the present invention.

【図8】本発明による集積化カンチレバー型プローブを
模式的に示した図である。
FIG. 8 is a diagram schematically showing an integrated cantilever type probe according to the present invention.

【図9】本発明による情報処理装置のブロック構成図の
一例である。
FIG. 9 is an example of a block configuration diagram of an information processing apparatus according to the present invention.

【図10】プローブヘッド制御回路の詳細ブロック構成
図である。
FIG. 10 is a detailed block configuration diagram of a probe head control circuit.

【図11】実施例2のカンチレバー型プローブの斜視図
である。
FIG. 11 is a perspective view of a cantilever probe according to a second embodiment.

【図12】実施例3のカンチレバー型プローブの作製方
法を説明するための図である。
FIG. 12 is a drawing for explaining the manufacturing method of the cantilever type probe of Example 3.

【図13】従来の圧電体バイモルフからなるカンチレバ
ー型変位素子の例である。
FIG. 13 is an example of a conventional cantilever type displacement element composed of a piezoelectric bimorph.

【図14】従来の圧電体バイモルフからなるカンチレバ
ー型変位素子の駆動状態を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a driving state of a conventional cantilever type displacement element composed of a piezoelectric bimorph.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板 2 カンチレバーの支持体 3,3’,4,4’ 発熱体層 5 プローブ 6 引き出し電極 31 SiO2層 32,33 静電駆動用電極 81 Siナイトライドからなるマスク層 101 シリコン基板 102 カンチレバー型プローブ 103 試料 104 XY微動機構 105 Z方向粗動用圧電素子 106 バイアス回路 107 トンネル電流検出回路 109 XY位置制御回路 110 Z方向サーボ回路 111 Z方向粗動駆動回路 112 制御回路 113 ディスプレイ 114 接近機構 115 XY微動駆動回路 117 X−シフトレジスタ 118 Y−シフトレジスタ 119 回路部 120 カンチレバー 121 マトリクス配線 122 ボンディングパッド 123 集積化カンチレバー型プローブ 124 XYアクチュエータ 125 走査回路 126 記録媒体 127 傾き補正アクチュエータ 128 傾き補正回路 129 構造体 130 プローブヘッド制御回路 131a 符号器 131b 復合器 132 距離制御回路 133 カンチレバー駆動回路 134 走査クロック 135 Y−アドレスカウンタ 136 X−アドレスカウンタ 137 プローブアドレス 138 コンパレータ 139 基準電圧Vref 140〜142 プローブ制御テーブル 143 アドレスバス 144 プローブ制御信号群 201 圧電体 202 電極1 Silicon Substrate 2 Cantilever Support 3,3 ', 4,4' Heating Element Layer 5 Probe 6 Extraction Electrode 31 SiO 2 Layer 32,33 Electrostatic Drive Electrode 81 Mask Layer 101 Made of Si Nitride Silicon Substrate 102 Cantilever Type probe 103 sample 104 XY fine movement mechanism 105 piezoelectric element for Z direction coarse movement 106 bias circuit 107 tunnel current detection circuit 109 XY position control circuit 110 Z direction servo circuit 111 Z direction coarse movement drive circuit 112 control circuit 113 display 114 approach mechanism 115 XY Fine movement drive circuit 117 X-shift register 118 Y-shift register 119 Circuit part 120 Cantilever 121 Matrix wiring 122 Bonding pad 123 Integrated cantilever type probe 124 XY actuator 125 Scanning circuit 126 Recording medium 27 Tilt Correction Actuator 128 Tilt Correction Circuit 129 Structure 130 Probe Head Control Circuit 131a Encoder 131b Decompressor 132 Distance Control Circuit 133 Cantilever Drive Circuit 134 Scan Clock 135 Y-Address Counter 136 X-Address Counter 137 Probe Address 138 Comparator 139 Reference Voltage Vref 140 to 142 Probe control table 143 Address bus 144 Probe control signal group 201 Piezoelectric body 202 Electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 新庄 克彦 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4−95804(JP,A) 特開 昭61−206148(JP,A) 特開 平4−121603(JP,A) 実開 昭59−2344(JP,U) 実公 平2−40485(JP,Y2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02N 10/00 F03G 7/06 G01N 13/10 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Keisuke Yamamoto 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (72) Inventor Katsuhiko Shinjo 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Within the corporation (56) Reference JP-A-4-95804 (JP, A) JP-A-61-206148 (JP, A) JP-A-4-121603 (JP, A) Actual development Sho-59-2344 (JP, A) U) Actual Kohei 2-40485 (JP, Y2) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H02N 10/00 F03G 7/06 G01N 13/10

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基板上に片持ち梁状に形成された変位素
と、該変位素子の自由端部に配置された探針とを有す
るカンチレバー型プローブであって、該変位素子は、
持体と、該支持体に対して対称に配置された少なくとも
1対の発熱体層とで形成され、該発熱体層の熱駆動によ
り変位するものであり、全発熱体層に同一電流を流すこ
とによって伸縮し、該1対の発熱体層の一方にのみ電流
を流すことによって該伸縮の方向と直交する方向に変位
することを特徴とするカンチレバー型プローブ
1. A displacement element formed in a cantilever shape on a substrate, and a probe disposed at a free end portion of the displacement element.
A that the cantilever type probe, the displacement element is supported
A carrier and at least a symmetrical arrangement with respect to the support
It is formed by a pair of heating element layers, and is displaced by thermal driving of the heating element layers, and expands and contracts by applying the same current to all the heating element layers, so that only one of the pair of heating element layers expands and contracts. A cantilever probe, which is displaced in a direction orthogonal to the direction of expansion and contraction by passing an electric current.
【請求項2】 前記変位素子は、一対の発熱体層が支持
体の上下面に各々設けられ、上面の1対の発熱体層また
は下面の1対の発熱体層にのみ電流を流すことによっ
て、前記基板面に垂直な方向に変位することを特徴とす
る請求項1記載のカンチレバー型プローブ
2. The displacement element is supported by a pair of heating element layers.
A pair of heating element layers provided on the upper and lower surfaces of the body and on the upper surface, respectively.
Is to apply current only to the pair of heating elements underneath.
The cantilever type probe according to claim 1 , wherein the probe is displaced in a direction perpendicular to the substrate surface .
【請求項3】 前記支持体の下面と前記基板面に電極を
有し、静電力によって基板面と垂直な方向に変位する
ことを特徴とする請求項1記載のカンチレバー型プロー
3. An electrode is provided on the lower surface of the support and the surface of the substrate.
A cantilevered probe according to claim 1, wherein <br/> be displaced in a direction perpendicular to the said substrate surface by an electrostatic force
Boo .
【請求項4】 前記変位素子の伸縮及びそれに直交する
方向の変位によって、前記探針を2次元走査させること
を特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のカンチレ
バー型プローブ。
By 4. A stretching and direction of displacement perpendicular to that of the displacement element, a cantilever type probe according to any one of claims 1 to 3, characterized in that two-dimensionally scanning the probe.
【請求項5】 請求項1〜4のいずれかに記載のカンチ
レバー型プローブを、同一基板上に複数配置したことを
特徴とする集積化カンチレバー型プローブ。
5. An integrated cantilever type probe, wherein a plurality of the cantilever type probes according to claim 1 are arranged on the same substrate.
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