JPH04143943A - プローブユニット及びこれを備えた記録消去装置、再生装置、記録再生消去装置 - Google Patents

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又はその原理を応用し
た高密度記録再生装置等の走査型トンネル電流検知装置
用のプローブユニットに関するものである。

［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！（以下、ＳＴＭと略す）が開
発され（Ｇ、Ｂ１ｎｎ１ｇ　ｅｔ　ａｔ、。

Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ、Ｌｅｔｔ、４９（１９８２）５７）
　、単結晶、非晶質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。Ｓ
ＴＭは金属のプローブ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。ＳＴＭ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、係る装置・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
ずに、且つ低電力で観測できる利点をも有する。又、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様に、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、記録媒体として電圧−電流特性においてメモリ性の
あるスイッチング特性を示す材料、例えばカルコゲン化
物類、π電子系有機化合物の薄膜層を用いている。再生
は、係る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。この記録方式の記録媒体
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ある。従来
、プローブの形成手法として半導体製造プロセス技術を
用い、一つの基板上に微細な構造を作る加工技術（に、
Ｅ。

Ｐｅｔｅｒｓｏｎ、”５ｉｌｉｃｏｎ　ａｓ　ａ　Ｍｅ
ｃｈａｎｉｃａｌ　Ｍａｔｅｒｉａｌ’Ｐｒｏｃｅｅｄ
ｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ、　７０巻、４２０
頁、１９８２年）を利用し、係る手法により構成したＳ
ＴＭが特開昭６１−２０６１４８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（ＸＹ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平面と直角な方向（Ｚ方向）
に変位する様に構成されている。

又、特開昭６２−２８１１３８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。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら従来例の片持ち梁構造では振動等の影響を
受は易く、精密な変位制御を再現性良く行うことが極め
て難しかった。そのため、外来振動を除去するための除
震機構が不可欠であり、構造を複雑にすると共に、機器
全体の小型化を困難にしていた。

又更に、機器外部からの外来振動のみならず、可視部自
身が急激な変位をする際に寄生振動ないし発振を起こし
易く、その結果、変位制御、即ちプローブ／媒体間の位
置ｆｉｌＪａにおいて目標値からの大きなずれが生じる
ことも問題点となっていた。制御が満足に行われない場
合、プローブを被走査媒体に接触させてしまう事態に至
ることがあり、プローブ及び媒体が損傷を受ける点でも
極めて重要な問題である。寄生振動を起こさないように
急峻な変位を抑止する、具体的には制御信号の周波数特
性での高域特性を遮断することによって制御の安定性を
確保することが可能であるが、反面、プローブ変位の応
答性を犠牲にしてしまう結果になる０本来こうした片持
ち梁で代表される微小駆動機構は、可動範囲が小さいか
わりに高速性が期待されているが、上述の様に振動を制
限するために高速応答の実現が困難であった。

そこで本発明の目的は、上述した従来例の欠点を克服し
、高速応答が可能で、且つ外乱の存在下での目標値追従
が安定に行われる精密な変位制御を可能とするプローブ
ユニットを提供することにある。

［課題を解決するための手段及び作用］上記の目的は、
以下の発明によって達成される。

即ち本発明は、基板、基板上に形成された梁状の可撓部
、そして可撓部に設けられたプローブとを有するプロー
ブユニットであって、該プローブユニットに更に前記プ
ローブを少なくとも基板面と垂直な方向に変位させる駆
動手段、及び変位に対するダンパ機構を併せ有すること
を特徴とするプローブユニットである。

ここで梁状の可撓部とは、可撓部分の一端が基板上に固
定された片端固定はり構造、即ち片持ち梁構造体を示す
。そして前記可撓部には少なくとも駆動のための機構及
び配線、並びにプローブに電圧を印加するための配線領
域が形成されている。この時、可撓部の形状は任意であ
る。

片持ち梁の変位方法としては一般に、圧電効果、静電気
力等の手段が知られているが、最大変位量及び駆動電圧
に対する変位量の線形性などから好ましくは圧電体バイ
モルフによる変位手段が用いられる。圧電体バイモルフ
の製造は公知であり、例えば半導体基板の表面にスパッ
タリング或いは蒸着とフォトリソグラフ及びエツチング
工程の繰り返しによりバイモルフ構造を形成した後、上
記半導体基板にエツチングを施して、上記バイモルフ構
造を片持ち梁状に支持させるものである。勿論、予め半
導体基板上に片持ち柔構造を形成した後に、マスク蒸着
乃至マスクスパッタリング等の手段によって係る片持ち
梁上に所望の材料を積層しバイモルフ構造を形成するこ
とも可能である。可撓部の製造方法は本発明を何等制限
するものではない。又、ダンパ機構の効果は可撓部の駆
動方法に影響されるものではなく、本発明は駆動方法の
選択性をも制限するものではない。

ダンパ機構は、該可撓部と周辺の基板固定部とを連結す
るようにして形成されたものである。具体的には粘弾性
を示す材料によって構成された橋状構造体であり、少な
くとも一端を可撓部に、他端を基板に固定する事によっ
て、可撓部の動作、変位のダンピングを行うものである
。概略図の一例を第１図に示す。

従来、プローブユニットが振動等に敏感な特性を示した
のは主として、片持ち梁の構造が微小サイズで形成され
ていることに起因するからである。即ち、実用上におい
て梁の長手方向の長さが数１０〜数１００μｍ程度であ
るため、可撓部の振動に対するＱ値が１０〜１ｏｏと極
めて高い値を有し、外来振動乃至は可視部自身の挙動に
よって寄生振動が生じていた。本発明は可撓部にダンパ
機構を設けることによって耐震特性が良く、制御性の高
いプローブユニットを提供するものである。

上述のように、上記ダンパ機構は可塑性を有する粘弾性
体によって、可撓部と可撓部周辺の固定基板部を連結す
ることによって容易に実現することができる。係る粘弾
性体としてはブチルゴム、フッ素ゴム、シリコンゴムな
どの公知の材料を挙げることができる。ブチルゴムは柔
らかく、大きい減衰効果が期待されるが環境安定性や耐
薬品性に乏しく、経年変化やプローブユニット製造工程
等の観点から使用に制限を受けることがある。

一方、フッ素ゴムは化学的に安定だが弾性体として堅く
、又現時点では微細加工が難しい、その点、シリコンゴ
ムは柔らかく、又硬度の調整が可能で本発明に極めて好
適である。更に熱硬化性の樹脂を用いることで、硬化前
の加工性及び硬化後の耐薬品、耐環境性を確保すること
ができる。

尚、上述の材料に限らず、多くの有機材料は可塑性を有
しており、本発明への適用が可能である。即ち、上記弾
性体として有機薄膜を用いるもので、特にレジスト膜か
らなる有機薄膜が好ましい。例えば、ポリイミド樹脂に
代表されるフォトレジスト材料などは従来公知の半導体
製造技術による微細加工が容易であることから、微小構
造を有する本発明のプローブユニットに極めて好適であ
ると言える。

以上の様にして形成されるプローブユニットは、ＳＴＭ
或いはその原理を応用した高密度記録再生記録などに設
置された状態で用いられる。即ち、プローブユニットに
電圧ないし電流を印加することで可撓部を変形させ、自
由端側に設けられた探針を媒体に対し所望位置まで接近
させることによって、結果として探針と媒体間に流れる
トンネル電流を制御する機構として機能する。

この時、前述のように従来、例えば片持ち梁から成るプ
ローブユニットの場合、寄生振動等の擾乱に敏感であっ
たためにプローブ走査速度を制限して用いていたが、本
発明によって高い周波数領域での応答が可能となる。ま
た、制御系の安定化が図れる結果、探針が媒体に衝突す
る確率が著しく低減し、従来上記の装置で必要とされて
いた衝突回避の制御機構ないし制御ルーチンを省略する
ことができる。また、外乱に対しての安定性も向上する
ことから、除震システムの軽減、或いは省略が可能とな
る。これらは装置全体の高性能化と共に、簡易化、小型
化を容易にするものである。

［実施例Ｊ 上記プローブユニット及びダンパ機構について、以下実
施例を用いて詳細な説明を行う。

実施例１ 図面を参照して本実施例を説明する。第１図は本実施例
のプローブユニット外観の斜視図である。該プローブユ
ニットは金属電極とＺｎＯ誘電体の積層構造からなる幅
５０μｍ、長さ３００μｍの圧電体バイモルフ３からな
る片持ち梁構造体、及びプローブ電極４から構成される
。該プローブユニットを用いれば、圧電体に電圧を印加
することによって片持ち梁を基板面と直交する方向（２
方向）に撓ませ、プローブ位置を２方向に変位させるこ
とができる。該可撓部は基板の孔７上に形成された橋状
のフォトレジスト材６によって基板ないし基板表面と連
結されている。

本実施例においては、プローブ変位の際に該フォトレジ
スト膜がダンパ機構として機能するものである。該バイ
モルフ及びダンパ機構の形成手順は１Ｊ２図を用いて以
下に説明する。

先ずシリコン半導体基板１表面に絶縁膜として膜厚５０
０ｎｍの窒化シリコン膜２を高周波スパッタにより形成
した（第２図ａ）。次にフォトリソ工程を経て該窒化膜
に開口部８を設けた後、金属電極と圧電体の積層構造か
ら成る圧電体バイモルフを窒化膜上に形成した（第２図
ｂ　ｗ　ｅ　）　。

電極材料としては、下地電８ｉ９にＣｒを下引きとして
Ａｕを用い、中間電極１０及び上部電極１１にはＡｊ！
を用いた。又、圧電体層１２には高周波スパッタによっ
て堆積したＺｎＯ（膜厚１．２μｍ）を用いた。更に、
以上のようにして作製したバイモルフ素子全体を、スパ
ッタ法により堆積した窒化シリコン膜から成る保護層１
３で被覆した後に、蒸着Ａｕで構成される円錐状の突起
を有するプローブ４の形成を行った。次に係るプローブ
ユニット上に、ポリイミド系フォトレジスト（商標ＰＩ
Ｑ、日立化成製）をスピンキャスト法により塗布しく膜
厚５μｍ）、フォトリソ工程を用いて、一端がバイモル
フ、他端が基板上に接着されたポリイミド樹脂からなる
帯状の膜構造体を形成した（第２図ｅ及び第３図、参照
）、シかる後にＫＯＨ水溶液をエッチャントとした異方
性エツチングを基板下部より行い、開口部８に孔７を設
けることによって、第１図に示すプローブユニットを得
た。

以上のようにして作製したプローブユニットを第４図に
示す消去機能を併有する記録再生装置に設置し、特開昭
６３−１６１５５２及び特開昭６３−１６１５５３に開
示されている記録媒体としてＡｕ電極上に積層されたポ
リイミド樹脂膜（２層１１りを用い、記録、再生及び消
去の実験を行った。係る装置において、１７及び１８は
Ｚ方向の粗動を行う駆動部及び変位機構部であり、微動
は前記片持ち梁の可撓範囲によって行う。ＸＹ力方向駆
動に関しては２０が粗動、２３が微動機構として働く。

２方内変位はサーボ制御されており、バイアス電源２５
によフて試料２６とプローブ４間に直流バイアス電圧を
印加し、プローブに流れる電流値と目標値との誤差信号
をマイクロコンピュータ１５が計算し、駆動回路２４に
よってバイモルフ３の変位を行うものである。係る装置
においてＸＹ力方向プローブを走査しながら、バイアス
電圧（０，ＩＶ）に波高値−６ｖ及び＋１．５Ｖの連続
したパルス波を重畳した電圧を試料／プローブ間に印加
することで電気的な情報の書き込みを行った。更に、得
られるＳＴＭ像から記録情報の読みだしを行った結果、
記録情報と再生情報が再現性良く一致する事を確かめた
。

又、試料上の記録を行った領域にプローブが接近した時
点で、波高値３ｖのパルス電圧をバイアス電圧に重畳す
る操作を行ったところ、再生されるＳＴＭ像から記録さ
れた情報が消去されたことを確認した。

更に、ＸＹ力方向の走査を停止させた状態でトンネル電
流が１００ｐＡ程度流れるまでプローブを試料に接近さ
せた後、プローブユニットの変位量制御を行い安定性の
検討を行った。具体的には、プローブ位置（プローブ／
試料間距１ｍ１）のサーボ制御が行われている状態でト
ンネル電流目標値を１００ｐＡと１ｎＡの間で周期的に
変化させ、且つこの時、予めサーボ系に直列に挿入した
遮断周波数が可変なプログラマブルフィルタ（ローパス
フィルタ、−１２ｄＢ１０ｃｔ）の遮断周波数を変化さ
せ、サーボ系が不安定になる、換言すればトンネル電流
の実測値が減衰振動、ないし発振を起こし始める周波数
の観察を行った。

その結果、遮断周波数が３〜５ＫＨｚに達する領域にお
いても安定な変位制御が可能であることを確認した。但
し、係る周波数は試料の支持台まで含めたコ己録再生装
置全体の機械的固有振動数（約８〜ｌ０ＫＨｚ）による
影響を大きく受けており、本実施例のプローブユニット
単体での応答周波数は更に高いと考えられる。

尚、本実施例ではレジスト材料として入手の容易であっ
たポリイミド系のＰＩＱを用いたが、基板との密着性、
製造プロセス中での耐薬品性、環境安定性等を満足する
材料であれば他のレジスト材であっても本発明への適用
は可能である。勿論、感光性レジストに限らず、電子線
レジストやＸ線レジストなどであってもよい。又、レジ
スト膜厚や幅、或いは可撓部と基板を連結する位Ｗ！を
等を適当に選ぶことによって比較的自由にダンピングの
効果を調節することができ、所望の特性を得ることは容
易である。

又、本実施例ではプローブユニットを記録再生装置に設
置したが、回答変更することなく　ＳＴＭなとの走査型
トンネル電流検知装置用のプローブユニットにも広く適
用することができる。

実施例２ ダンパ機構以外は実施例１と全く同様の製造方法で、圧
電体バイモルフによって構成される片持ち梁を有するプ
ローブユニットの作製を行った。

この時、ダンパ機構としてはシリコンゴムから成る橋梁
状の構造体を用いた。係るダンパ機構の形成は、基板開
口部に孔を作製する以前の工程において、即ち、バイモ
ルフ構造体及びプローブ電極形成後に、基板開口部を覆
うようにしてシリコン樹脂を流体吐出機を用いて塗布す
ることによって行った。更に、加熱による熱硬化工程の
後に、実施例１同様に基板開口部からエツチングを行い
、バイモルフ及びシリコンゴム下部に空間部を形成し、
第５図に外観を示すプローブユニットを得た。

以上のようにして作製したプローブユニットを用いて実
施例１同様、記録再生装置に設置した状態で変位制御の
安定性を検討した。その結果、やはり１〜５Ｋ　Ｈｚの
周波数帯域においても安定なサーボ制御が行えることを
確かめた。ダンパ機構の形成方法に関して、本実施例で
示した方法は実施例１と比較して形状制御の点で高い精
度は望めないが、ダンパ特性として同程度の効果が得ら
れたことがわかる。工程が極めて簡便であることから、
プローブユニット形状が比較的大きな場合にその優位性
は著しいといえる。又シリコン樹脂自体も、熱硬化によ
る収縮率が小さく硬化時の内部歪、或いは片持ち梁のそ
り等の問題がなく、更にシリコン基板との親和性に優れ
ている等の点で本発明に好適である。

尚、本実施例では、シリコン樹脂の接着を基板表面側よ
り行ったが、勿論裏面より行うことは可能であり、プロ
ーブ電極がシリコン樹脂の塗布工程でのプローブ電極の
汚れ発生を阻止することができる。

比較例 ダンパ機構を持たないプローブユニットを作製し、評価
を行った（第６図）。プローブの作製工程は実施例１と
同様であるが、フォトレジスト材６から成るダンパ機構
の形成工程を省略した。評価も実施例１と同様であり、
作製したプローブユニットを用いて記録再生が安定に行
えることを確認した後に、サーボ系の目標値を変化させ
制御系の安定性を検討した。

その結果、トンネル電流目標値を１００ｐＡと１ｎＡの
間で周期的に変化させた場合、系が安定に動作するため
にはローパスフィルタの遮断周波数は１０〜３０Ｈｚ以
下である必要があった。

変化させるトンネル電流目標値を１００ｐＡと３００ｐ
Ａの範囲に限ると、安定動作が観察される前記遮断周波
数を高くすることができるが、１００Ｈｚ程度でありＫ
Ｈｚオーダでの安定動作は実現しなかった。

［発明の効果］ 本発明によれば、極めて簡便な製造工程を付加すること
によって、高速応答が可能で、且つ外乱の存在下での目
標値追従が安定に行われる精密な変位制御を可能とする
プローブユニットを提供することができる。又、本発明
のプローブユニットは、外来の振動に対して安定である
ことから、除震機構の省略ないし簡易化が図れ、該プロ
ーブユニットを設置する機器全体の小型化に適している
。その結果、除震機構の簡便化による経済的な面での効
果も期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例のプローブユニット外観
の斜視図、第２図はバイモルフ及びダンパ機構形成の主
要工程を示すプローブユニット断面図、第３図は形成工
程中のプローブユニット外観を示し、第２図ｅの断面図
に相当する斜視図、第４図は記録再生装置の構成を示す
概略図、第５図は本発明の第２の実施例のプローブユニ
ット外観の斜視図、第６図は従来のプローブユニット外
観の斜視図である。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板、基板上に形成された梁状の可撓部、そして
   該可撓部に設けられたプローブとを有するプローブユニ
   ットであって、該プローブユニットに更に前記プローブ
   を少なくとも基板面と垂直方向に変位させる駆動手段、
   及び変位に対するダンパ機構を併せ有することを特徴と
   するプローブユニット。
2. （２）該可撓部と基板とを弾性体で連結することによっ
   て形成されたダンパ機構を有する請求項（１）記載のプ
   ローブユニット。
3. （３）前記弾性体が有機薄膜から成る請求項（２）記載
   のプローブユニット。
4. （４）前記有機薄膜がレジスト膜から成る請求項（３）
   記載のプローブユニット。
5. （５）前記弾性体がシリコン系ゴムである請求項（２）
   記載のプローブユニット。
6. （６）媒体と１個ないし複数個のプローブを対向させ、
   該プローブを独立に駆動し前記プローブを用いて媒体へ
   の情報書き込み及び書き込んだ情報の消去を行う装置に
   おいて、前記プローブの駆動手段として自由端側に該プ
   ローブを支持する片持ち梁と該片持ち梁を変位させる変
   位素子、及び係る変位に対するダンパ機構を併有するこ
   とを特徴とする記録消去装置。
7. （７）媒体と１個ないし複数個のプローブを対向させ、
   該プローブを独立に駆動し前記プローブを用いて媒体か
   らの情報読み出しを行う装置において、前記プローブの
   駆動手段として自由端側に該プローブを支持する片持ち
   梁と該片持ち梁を変位させる変位素子、及び係る変位に
   対するダンパ機構を併有することを特徴とする再生装置
   。
8. （８）媒体と１個ないし複数個のプローブを対向させ、
   該プローブを独立に駆動し前記プローブを用いて媒体へ
   の書き込み、及び読み出し、消去を行う装置において、
   前記プローブの駆動手段として自由端側に該プローブを
   支持する片持ち梁と該片持ち梁を変位させる変位素子、
   及び係る変位に対するダンパ機構を併有することを特徴
   とする記録再生消去装置。