JPH04115103A

JPH04115103A - カンチレバー型プローブ及び該プローブを用いた走査型トンネル顕微鏡、精密位置決め装置、情報処理装置

Info

Publication number: JPH04115103A
Application number: JP23317590A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Shinjo; 克彦新庄; Toshimitsu Kawase; 俊光川瀬; Hiroyasu Nose; 博康能瀬; Akira Kuroda; 亮黒田; Takayuki Yagi; 隆行八木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-09-05
Filing date: 1990-09-05
Publication date: 1992-04-16

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、走査型トンネル顕微鏡及びそれを応用した大
容量・高密度の記録／再生／消去装置を含む情報処理装
置、精密位置決め装置に関するものである。

［従来の技術］近年、記録再生装置におけるデータの記録容量は年々大
きくなる傾向があり、記録単位の大きさは小さ（記録密
度は高（なっている。例えば光記録によるディジタル・
オーディオ・ディスクにおいては記録単位の大きさは１
μｍ２程度にまで及んでいる。その背景には、メモリ材
料開発の活発化があり、有機色素・フォトポリマーなと
の有機薄膜を用いた安価で高密度な記録媒体が登場して
きている。

一方、最近、導体の表面原子の電子構造を直接観察でき
る走査型トンネル顕微鏡（以後ＳＴＭと略す）が開発さ
れ［Ｇ、Ｂ１ｎｎ１ｇ　　ｅｔａｌ、　　Ｈｅ１ｖｅｔ
ｉｃａ　　Ｐｈｙｓ　ｘ　ｃａＡｃｔａ、　　５５．　
７２６　（１９８２）　］　、単結晶、非晶質を問わず
実空間像の高い分解能の測定ができるようになり、しか
も媒体に電流による損傷を与えずに低電力で観測できる
利点をも有し、さらに大気中でも動作し種々の材料に対
して用いることができるため広範囲な応用が期待されて
いる。

ＳＴＭは金属の探針（プローブ電極）と導電性物質の間
に電圧を加えてｌｎｍ程度の距離まで近づけるとトンネ
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あり、電流もしくは両者の平均
的な距離を一定に保つように探針を走査することにより
実空間の表面情報を得ることができる。この際、面内方
向の分解能は１人程度である。

このＳＴＭの原理を応用すれば十分に原子オーダー（数
人）での高密度記録再生を行うことが可能である。この
際の記録再生方法としては、粒子線（電子線、イオン線
）或いはＸ線等の高エネルギー電磁波及び可視・紫外線
等のエネルギー線を用いて適当な記録層の表面状態を変
化させて記録を行い、ＳＴＭで再生する方法や、記録層
として電圧電流のスイッチング特性に対してメモリ効果
をもつ材料、例えばπ電子系有機化合物やカルコゲン化
物類の薄膜層を用いて、記録・再生をＳＴＭを用いて行
う方法等が提案されている。

このＳＴＭ操作、或はＳＴＭ応用の記録再生を行う場合
、プローブと記録媒体との距離を人オーダーで制御する
こと、及び記録再生において記録媒体上に２次元に配列
した情報を記録再生するために、プローブの２次元走査
を数１０人オーダーで制御することの２点が重要である
。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同時に駆動すること（プロ
ーブのマルチ化）が提案されている。つまり、多数のプ
ローブが配置された面積内で上記の精度でプローブと記
録媒体の相対位置を３次元的に制御しなければならない
。

従来、この制御には、プローブ側あるいは媒体側に取り
つけた積層型圧電素子、円筒型圧電素子等を用いている
。しかし、これらの素子は、変位量は太き（とれるもの
の、集積化には適しておらず、マルチプローブ型の記録
再生装置に使用するのは不利である。この観点から、プ
ローブを、長さ数１００μｍ程度のカンチレバー（片持
ち梁）上に取りつけ、このカンチレバーを圧電体で駆動
する方法が考えられている。

［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、ＳＴＭにおいては、観
察するサンプルによって、カンチレバー上のプローブが
破損する確率が高（、破損した場合、−旦実験を停止し
、カンチレバー全体を交換しなければならず、操作性の
点で難点があった。

また、ＳＴＭを応用した精密位置決め装置についても同
様である。さらに、情報処理装置においては、情報の記
録再生のためのプローブ１個に対し、−本のカンチレバ
ーを使用しているので大容量の情報処理装置を作製する
には、非常に多数のカンチレバーを作製しなければなら
ず、歩留まりの点で問題があった。さらに、１本のカン
チレバーでカバーできる範囲は小さく、カンチレバーが
設けられたステージあるいは記録媒体が設けられたステ
ージを別の駆動系で精密制御する必要があり、システム
の構成が複雑になってしまう等の問題があった。

［課題を解決するための手段及び作用］上記問題点は、
カンチレバー上に複数のプローブを有することを特徴と
するカンチレバー型プローブを作製することによって解
決される。すなわち、ＳＴＭにおいては、トンネル電流
検出プローブを、カンチレバー上に複数作製することで
、第１のプローブが破損した際にも、第２、第３・・・
のプローブに切り換えるだけで、操作を停止させること
なく観察をつづけることができる。精密位置決め装置に
ついても同様である。また、情報処理装置においては、
１本のカンチレバーでカバーできる範囲を大きくすると
ともに、カンチレバーの本数を減少させることにより、
装置作製上での歩留まり、操作性を向上させることがで
きる。

第１図に情報処理装置の概念図を示す。カンチレバー１
上に、情報の記録或は再生用プローブ２を複数個設け、
該カンチレバー１を駆動することにより、複数個のプロ
ーブ２によって、記録媒体３上の記録ビット列４を並列
に記録・再生してゆ（。

情報処理方法としては、記録媒体３の表面あるいは内部
に、２次元的に配列された記録ビットを３次元的に可動
できるプローブで記録・再生する方法であればどのよう
な方法でもよく、トンネル電流によるもの（ＳＴＭ）、
原子間力によるもの（ＡＦＭ）、磁気力によるもの（Ｍ
ＦＭ）等手段を問わない。

［実施例］以下、本発明を、実施例を用いて詳細に説明する。

実施例１第２図に、実施例１の基本構成図を示す。除振ステージ
５の上にメインフレーム６が設置されており、該メイン
フレーム６の上部には、カンチレバーが複数個設けられ
たプローブ板７が固定されている。また、記録媒体３が
上面に作成されている媒体ステージ８は、２次元粗動を
行なうための積層圧電体９を介して、メインフレーム６
に接続されている。ここで、メインフレーム６は約１．
５ｃｍ角、プローブ板７と記録媒体３は約４μｍの間隔
で対向している。

第３図にプローブ板７の平面図を示す。

１２ｍｍＸ　１２ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの５ｉ（１００
）基板１０上に後述の工程によって作製されたカンチレ
バー１が１６本×５本計８０本設けられており、各カン
チレバー１上に５本ずつ情報の記録・検出用プローブ２
が作製されている。

カンチレバーの寸法は５０μｍＸ１ｍｍである。

次に、カンチレバー１の作製工程を述べる。まず、Ｓｉ
　（１００）基板１０（厚さ０．５ｍｍ）上に、ＣＶＤ
法により５ｉ＝Ｎ４膜を０，１５μｍの厚さに成膜した
。使用した原料ガスは、Ｓ　ｉ　Ｈ２Ｃｌ３　　：ＮＨ
ｓ　　（１：９）であり、基板温度は８００℃であった
。次に、フォトリソグラフィー、ＣＦ、ドライエツチン
グにより、５ｉｘＮ＜を所望の形状にバターニングした
。続いて、Ｃｒ　　Ｏ，０１μｍ、Ａｕ　　０．０９μ
ｍ成膜し、フォトリソグラフィーおよびウェットエツチ
ングによりバターニングした。次に、スパッタ法でＡ４
２Ｎを０．３μｍ成膜した。ターゲットはＡＩ！、を用
い、Ａ　ｒ　＋　Ｎ　２雰囲気でスパッタした。さらに
、フォトリソグラフィーとＡβ用エツチング液によるウ
ェットエツチングでバターニングした。その後上記の工
程をくり返し、結局Ｓｉ基板１０−　Ａ　ｕ　／　Ｃｒ
　−Ａ　１２　Ｎ　−Ａ　ｕ　／　Ｃｒ−ＡρＮ　−Ａ
　ｕ　／　Ｃｒのバイモルフ構造を形成した。さらに、
保護層として、アモルファスＳｉＮを０．１５μｍＣＶ
Ｄ法により成膜した。

続いて、プローブ用電極としてＡｕを０．　１μｍ蒸着
し、さらにタングステンプローブを蒸着法で作製した。

その後ＫＯＨによるＳｉの異方性エツチングにより、５
ｉｓＮ４がついていない部分を除去し、カンチレバー１
を作製した。第４図に上記工程により作製したカンチレ
バー１の断面図を、第５図に第４図中’Ａ　−Ａ　′の
断面図を示す。

１０はＳｉ基板、１１はＳ　ｉｘ　Ｎ４　、　１２〜２
０は圧電体の駆動用電極、２１．２２は圧電体（ＡρＮ
）　２３はアモルファスＳｉＮ、２４はプローブ用電極
、２５はタングステンプローブである。ここで、駆動用
電極１２〜２０が、カンチレバー１の長手方向で分割さ
れているのは、カンチレバー１が第６図のように変位し
て、各プローブと記録媒体３との相対速度が同じになる
ようにするためである。つまり、電極部αとδにＥ。

なる電界が印加される時に、電極部βとγには−Ｅ。な
る電界が印加されればよい。尚、本実施例のような中心
線に対称に２組のバイモルフ構造を有す構成を以下、単
にバイモルフ構造とよぶ。

記録媒体３は、ガラス基板上にＡｕを蒸着し、さらにそ
の上部にポリイミドＬＢ膜を４層（約１５人）成膜した
ものを用いた。

上述の構成において、プローブ２と、記録媒体３の下地
のＡｕ電極との間に、第１１図に示すパルスを印加する
ことにより、記録媒体３の抵抗率が２ケタ程度変化し、
この状態が保持されることによって、情報を記録するこ
とができた。尚、その領域の大きさは約１００人×１ｏ
Ｏ人と非常に小さく、超高密度の情報の記録を行うこと
ができた。続いて、記録の時と同一のプローブを用いて
、該プローブと上記Ａｕ電極との間に０．ＩＶのバイア
ス電圧を印加し、ブローブー電極間のトンネル電流の変
化を読みとることにより、記録媒体３上で、抵抗率の異
なる部分を検出することができ、同一プローブで情報の
記録・検出を行なえることが確認できた。

実施例２実施例２を第７図を用いて説明する。まず、カンチレバ
ー１および記録媒体３を実施例１と同様の工程により作
製した。ここで実施例１と異なる点はカンチレバーｌの
２６部のみならず、２７部もバイモルフ構造を有する点
である。また、プローブ２８．２９は、記録媒体３と、
カンチレバー１の間隔を制御するための制御用プローブ
として用い、プローブ３０〜３２を情報の記録、あるい
は検出用プローブとして用いる。すなわち、カンチレバ
ー１の２６部のバイモルフ構造によって駆動するのは実
施例１と同様であるが、本実施例においては、プローブ
２８および２９と、下地電極３４との間のトンネル電流
を一定に保つように、バイモルフ構造部２７にフィード
バックをかけ、常に記録・検出用プローブ３０〜３２と
記録媒体３との間隙を一定に保つことができるようにし
た。この方式により媒体を設けた基板３５に数μｍ程度
の凹凸、うねりがある場合でも、情報の記録および検出
が安定して行えるようになった。

実施例３第８図に本実施例に用いたカンチレバー１の形態図を示
す。カンチレバー１の寸法は３ｍｍＸ５０ＬＬｍであり
、該カンチレバー１のうちバイモルフ構造部２６の長さ
は１ｍｍである。この形態で図中ＸＩ３’軸方向の可能
変位量はそれぞれ０９５μｍ、３μｍ程度である。該カ
ンチレバー１上にはプローブ２が２次元的に配列されて
いる。ブロー１２間隔は約１０ｔＬｍで、３個×１０個
計３０個のプローブ２を作製した。また、カンチレバー
１の先端には、アドレス情報検出用プローブ３６が設け
られている。次に該カンチレバー１に対応する記録媒体
３上の記録ビット列を第９図に示す。アドレス情報ビッ
ト列３７は０．５μｍ×３μｍの領域に４０Ｘ３００個
作製されており、情報の記録・検出用のプローブ２の１
個に対応する記録ビット列３８も、同じ０．５μｍＸ３
μｍの領域に４０ｘ３００個ずつである。ここで、プロ
ーブ３６により、所望のアドレスにカンチレバー１をセ
ットすることにより、３０個のプローブ２を同時に記録
媒体３にアクセスすることができる。実施例１．２にお
いては、プローブ２は情報の記録あるいは検出にのみ用
いていたが、情報の消去にも用いることができる。つま
り、プローブ２と記録媒体３の下地電極との間に第１２
図に示すパルスを印加することにより、記録されていた
情報を消去することができる。以上のことにより、カン
チレバー１を駆動することによって、外部の駆動系によ
る大きな変位量の駆動を行うことなしに、所望の位置の
記録情報の書き換えを行えることを確認し、プローブ１
個をカンチレバー１上に設置して書き換えを行う場合に
比べて、約２ケタ所要時間が短縮できた。尚、第９図に
おいて、ビット列３７．３８の存在しない部分には、外
部の駆動系によりアクセスできることはいうまでもない
。

実施１例４第１０図に示すように、カンチレバー１の先端部に、２
本のプローブ３９．４０を設けた。ここでカンチレバー
１はバイモルフ構造を有し、３次元的に変位可能である
。従って、図に示すようなねじれた変位も可能であり、
プローブ３９と４０のどちらか一方のみを使用すること
ができる。つまり、１個のプローブが使用中に破損した
場合、他方を使用するように切り換えることが可能であ
る。上記方法で作製したＳＴＭにおいて、はじめプロー
ブ３９を用いて表面観察を行ない、その後、プローブ４
０に切り換えて表面観察を行なったところ、位置制御、
トンネル電流検出ともに良好に動作した。

［発明の効果］以上説明したように、駆動可能なカンチレバー上に複数
のプローブを設置することにより、操作性、信頼性の高
いＳＴＭおよび精密位置決め装置が作製できる。また、
情報処理装置においては、−本のカンチレバーのカバー
できる領域を大きくすることができ、カンチレバーの本
数が少なくなるので、歩留まりが向上するとともに、−
本のカンチレバーの寸法が大きいので変位量が大きくと
れ、位置制御の可能な範囲が拡大される。また、−本の
カンチレバー上の複数のプローブで並列に情報の記録・
再生が行えるので、カンチレバーの駆動周波数を下げる
ことができ、外来振動ノイズに対して強い装置となる。

さらに、複数のプローブの持つ役割を選択できるので、
より安定性、操作性の高い情報処理装置を作製すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図・・・本発明の概念図第２図・・・実施例１の基本構成図第３図・・・プローブ板の平面図第４図・・・カンチレバーの断面図第５図・・・第４図Ａ−Ａ′による断面図第６図・・・
カンチレバーの変位のモードを示す図第７図・・・実施
例２におけるカンチレバーと記録媒体との関係を示す図第８図・・・実施例３のカンチレバーの形態図第９図・
・・実施例３の記録媒体上の記録ビット列を示した図第１０図・・・実施例４のカンチレバーの形態同第１１
図・・・情報の記録時に印加するパルス第１２図・・・
情報の消去時に印加するパルスト・・カンチレバー　　
　　２３・・・アモルファスＳｉＮ２・・・プローブ　
　　　　２４・・・プローブ用電極３・・・記録媒体　
　　　　２５・・・タングステンプローブ４・・・記録
ピッ　ト列　　　　２６．２７・・・バイモルフ構造部
５・・・除振ステージ６・・・メインフレーム７・・・プローブ板８・・・媒体ステージ９・・・積層圧電体Ｏ・・・Ｓ１　・・・Ｓ２〜２１．２ｉ基板３Ｎ４０・・・駆動用電極２・・・圧電体２８．２９・・・制御用プローブ３０〜３２・・・書き込み、読み出し用プローブ３４・・・下地電極３５・・・基板３６・・・アドレス情報検出用プローブ３７・・・アドレス情報ビット列３８・・・記録ビット列３９．４０・・・プローブ第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）カンチレバー上に複数のプローブを有することを
特徴とするカンチレバー型プローブ。
（２）請求項（１）記載のカンチレバー型プローブを用
いたことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
（３）請求項（１）記載のカンチレバー型プローブを用
いたことを特徴とする精密位置決め装置。
（４）請求項（１）記載のカンチレバー型プローブを用
いたことを特徴とする情報処理装置。
（５）請求項（４）記載の情報処理装置において、電気
メモリー効果を有する媒体を用いたことを特徴とする情
報処理装置。
（６）請求項（４）記載の情報処理装置において、電気
メモリー効果を有する媒体として非導電性薄膜を用いた
ことを特徴とする情報処理装置。