JPH04205828A - 探針駆動機構、それを備えた情報処理装置 - 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、改良された探針駆動機構、それを備えた走査
型トンネル顕微鏡や記録再生装置などのトンネル電流を
利用した情報処理装置に関するものである。

［従来の技術］ 近年、原子、分子オーダーの分解能を有する走査型トン
ネル顕微鏡が開発され、表面構造解析、表面粗さ計測な
どに応用されている。

この走査型トンネル顕微鏡は、導電性試料と導電性探針
との間に電圧を印加し、両者間をｌｎｍ程度の距離まで
接近させた場合に流れるトンネル電流が、その距離によ
り指数関数的に変化することを利用したものである。

すなわち、先端を電解研摩等で非常に先鋭に仕上げた探
針を用いて、導電性物質からなる試料表面との距離を一
定に保ちながら２次元的に走査した時試料表面の原子配
列または凹凸形状によりトンネル電流が変化することを
利用して表面像を得ることができる（Ｇ、Ｂ１ｎｎ１ｇ
　　ｅｔａｌ、、Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ、Ｌｅｔｔ、４９（
１９８２））。さらに走査型トンネル顕微鏡の原理を利
用して、媒体表面に微小な凹凸構造または電気的な特性
の異なる部分を形成することにより高密度の記録再生装
置の提案もなされている。

例えば、記録層として電圧電流のスイッチング特性に対
してメモリ効果を持つ材料、例えばπ電子系有機化合物
やカルコゲン化合物類の薄膜層を用いて、記録・再生を
ＳＴＭで行なう方法が提案されている［特開昭６３−１
６１５５２号公報、特開昭６３−１６１５５３号公報］
。号公報法によれば、記録のビットサイズを１０ｎｍと
すれば、１０　”ｂ　ｉ　ｔ／　ｃｍ２もの大容量記録
再生が可能である。

このような装置においては、試料を探針で数ｎｍ−数μ
ｍの範囲で走査する必要があり、その際の移動機構とし
て圧電素子が用いられる。この例としては例えば、３本
の圧電素子をｘ、ｙ、ｚ方向に沿って互いに直交するよ
うに組み合わせ、その交点に探針を配置したトライボッ
ド型や、円筒型の圧電素子の外周面の電極を分割して一
端を固定し、他端に探針を取り付け、各々の分割電極に
対応させて円筒を撓ませて走査する円筒型などのタイプ
がある。

さらに最近では、半導体加工技術を利用したマイクロメ
カニクスにより、探針駆動機構を微細に形成する試みが
なされている。

第５図は、マイクロマシーニング技術によりＳｉ基板上
に圧電バイモルフからなるカンチレバーを形成した例で
ある。［Ｐｒｏｃｅｅｄ−ｉｎｇｓ　　ｏｆ　　４ｔｈ
　　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉ。

ｎａｌ　　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　　ｏｎ　　ＳＴＭ／
ＳＴＳ　　Ｐ３１７］ このうち、第５図（ａ）は、その斜視図であり、Ｓｉ基
板ｌ上に２分割電極４ａ、４ｂ、ＺｎＯ圧電体５、中間
電極３、ＺｎＯ圧電圧電極及５２分割電極２ａ、２ｔ）
を積層した。カンチレバー形状を作り、その下のＳｉ基
板の一部を異方性エツチングにより除去してＳｉ基板の
端部がら、片持ちで支持されるように形成されている。

その圧電バイモルフからなるカンチレバーの先端には、
金属の探針７が接着などにより取付けられ、引き出し電
極６を通してトンネル電流を検知する。その際、第５図
（ｂ）の断面図に示すように、カンチレバーの上側の２
分割電極２ａ、２ｂと中間電極３の間に挟まれる２つの
圧電体領域と下側の２分割電極４ａ、４ｂと中間電極３
との間に挟まれた２つの圧電体領域の各々にかける電圧
を制御することにより、カンチレバーを３次元方向に独
立して動かすことができる。

第５図（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）には、２分割電極により
分割された４つの圧電体領域の内、電圧を印加する領域
の組合せを変えて駆動した時のカンチレバーの動きを示
している。

第５図（ｃ）は、４つの領域が同時に縮むように同相の
電圧を印加したときで、探針は第５図（ａ）のＹ方向に
移動する。また第５図（ｄ）は右側の上下２つの領域が
伸び、左側の上下２つの領域が縮んだ場合で、探針は第
５図（ａ）のＸ方向へ移動可能である。さらに、第５図
（ｅ）は、上側の左右の領域が縮み、下側の左右の領域
が伸び、探針は、第５図（ａ）のＺ方向に移動すること
ができる。

［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、圧電バイモルフのカンチ
レバーの第５図（ａ）のＹ方向の移動はバイモルフ構造
による変位拡大機構がないため、他のＸ、Ｚ方向に比べ
著しく移動量が少なくなる欠点があった。

例えば、同じ駆動電圧に対して、Ｙ方向の移動量はＸ方
向の移動量の１／ｌ　Ｏ程度になることがあり、探針の
走査領域が狭（なるという傾向があった。

［課題を解決するための手段（及び作用）］本発明は、
電極を長手方向に分割した圧電バイモルフを少な（とも
２本直交して配置した構成とすることにより、Ｘ、Ｙ方
向（２次元）の走査範囲を広（することができるように
したものである。

即ち、本発明は電極を長手方向に分割した圧電バイモル
フ部材が少な（とも２本直交して形成され、その一端は
基板に固定され、他端には探針が設けられていることを
特徴とする探針駆動機構に関する。

更に、本発明は、上記の探針駆動機構を備えた走査型ト
ンネル顕微鏡や記録再生装置などのトンネル電流を利用
した情報処理装置に関する。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

夾１１粗１ 第１図の（ａ）は本発明の探針駆動機構の概略図であり
、（ｂ）はその動作の説明図である。第１図（ａ）にお
いて、Ｓｉ基板１の上に一端を固定された圧電バイモル
フ部材１０とその他端に直交して、もう一つの圧電バイ
モルフ部材１２を一体に結合した構造が形成されている
。圧電バイモルフ部材１０．１２は各々第１図（Ｃ）の
ように、下側の２分割電極１３ｃ、１３ｄ、圧電体層５
、中間電極３、圧電体層５及び上側の２分割電極１３ａ
、１３ｂの層からなるバイモルフ構造となっている。第
１図（ａ）では上側の２分割電極１１ａ、ｌｌｂ、１３
ａ、１３ｂが見えており、各々の電極は、パターン電極
により引き出され、ポンディングパッド９ａに配糸泉さ
れている。また、中間電極は圧電層を介して、ポンディ
ングパッド９ｂに、下側の２分割電極は、上側と同じパ
ターンになっており、ポンディングパッド９Ｃに引き出
されている。圧電バイモルフ部材１２の先端部には、Ｐ
ｔ、Ｒｈ、Ｗなどの金属片を接着して形成した探針７が
あり、パターン電極により、ポンディングパッド９ａに
引き出されている。これらのポンディングパッドにより
外部の駆動回路にワイヤポンディング等で結合される。

圧電体の材料としては、Ｚ’ｎＯ，ＡρＮなどの圧電材
料を用いマグネトロンスパッタによりＣ軸配向の膜を形
成することができる。また、ＰＺＴなどの圧電セラミッ
クスで形成することも可能である。電極は、Ａρ、Ａｕ
などの材料を蒸着して形成されている。製造の手順とし
ては、Ｓｉ基板上に圧電バイモルフの形状になるように
、下側２分割電極のパターニング、圧電体のスパッタ。

中間電極のパターニング、圧電体のスパッタ、上側２分
割電極のパターニングを行ない積層してゆ（。最後に、
Ｓｉ基板の不要な部分を異方性エツチングにより抜いて
、圧電バイモルフがひさし状に残るようにして形成され
る。

次に動作を第１図（ｂ）により説明する。探針７は圧電
バイモルフ部材１０の上側、下側の２分割電極による４
つの領域を従来例と同様に左右の領域が相反して伸縮す
るように駆動することにより、Ｘ方向（図中矢印Ｘ）に
駆動され、また、直交して設けた圧電バイモルフ部材１
２により、同様の駆動法でＹ方向（図中矢印Ｙ）に駆動
される。

これにより、探針７は、圧電バイモルフの変位拡大の作
用により、Ｘ、Ｙ方向に同程度の大きさで広い走査が可
能となる。

また、２方向（図中紙面に垂直な方向）には、圧電バイ
モルフ部材１０．１２の上下の領域を相反して伸縮する
ように駆動することにより、駆動することができる。

失」１孔ｌ 第２図の（ａ）は本発明の第２の実施例の概略図、（ｂ
）はその動作の説明図である。前記実施例と同様にＳｉ
基板１の上に一端を固定された平行な２つの圧電バイモ
ルフ部材１４とその他端同士を結合する圧電バイモルフ
部材１５により、門形の構造が形成されている。圧電バ
イモルフ部材１４．１５には、２分割電極が設けられ、
前記実施例と同様の積層構造をしており、各電極はパタ
ーン電極により、ポンディングパッドに引き出されてい
る。探針７は圧電バイモルフ部材１５の中間に配置され
ている。

次に第２図（ｂ）により動作を説明する。圧電バイモル
フ部材１４を前記実施例と同様の駆動法でＸ方向（図中
矢印Ｘ）に駆動することにより、圧電バイモルフ１５上
の探針７はＸ方向に移動し、また圧電バイモルフ部材１
５上の２つの２分割電極を同様に駆動することにより、
探針７はＹ方向（図中矢印Ｙ）に移動できる。

このように対称形にすることにより、剛性が上がり、か
つＸ、Ｙ方向の干渉が少な（、より正確な走査が可能と
なる。

見立■ユ 次に、前記探針駆動機構を用いた情報処理装置の第１の
態様である走査型トンネル顕微鏡の説明を行なう。第３
図は、本発明の走査型トンネル顕微鏡の説明図である。

１０１は、本発明の探針駆動機構１０２を形成したシリ
コン基板、２０５は、シリコン基板１０１をＺ方向に駆
動する粗動用圧電素子、２１５は粗動用圧電素子１０５
及び探針駆動機構１０２を試料表面に接近させる接近機
構、２０３は、表面観察する導電性の試料で、２０４は
試料２０３をＸＹ力方向微動するＸＹ微動機構である。

次に本ＳＴＭの動作について説明する。まず、接近機構
２１５は、２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、探針駆動機構１０２の探針が試料２０
３の表面に、粗動用圧電素子２０５のストローク内に入
るように接近させる。その際、顕微鏡等を用いて目視に
より、接近の程度をモニターするか、もしくは探針駆動
機構１０２にサーボをかけた状態でモーターにより自動
送りをし、探針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２０３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２０３と探針の間に流れるト
ンネル電流をトンネル電流検出回路１０７により検出し
、２方向サーボ回路１１０を通して探針と試料表面の平
均距離が一定となるように探針駆動機構１０２を２方向
に制御している。

その状態で、探針駆動機構１０２をＸＹ位置制御回路１
０９でＸＹ力方向走査することにより、試料表面の微細
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ドモードのＳＴＭ像が得られ
る。ＳＴＭ像は、画像処理例えば２次元ＦＦＴなどの処
理をしてデイスプレィ２１４に表示される。

その際探針駆動機構１０２の２方向のストロークが小さ
いので装置の温度ドリフト、試料２０３の表面の凹凸、
傾きが大きいと追従できな（なるため粗動用圧電素子１
０５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、０．０１〜０．１Ｈ
ｚ程度の帯域のフィードバックを行ない、２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、試料例のＸＹ微動機構
２０４をＸＹ微動駆動回路２１３によりＸＹ力方向移動
させ所望の領域に探針が来るようにして観察を行なう。

このような、走査型トンネル顕微鏡において探針駆動機
構を前記実施例のような構成とすることにより、従来の
カンチレバー型の探針駆動機構に比べ、ＸＹ力方向走査
範囲を広（することができる。

夫ＪＪ粗豆 次に、本発明の他の実施例として、前記探針駆動機構を
用いた情報処理装置の第２の態様である記録再生装置の
説明を行なう。第４図は、本発明の記録再生装置の概略
図である。１０１は、本発明の探針駆動機構１０２を複
数設けたシリコン基板、１０５は、シリコン基板を２方
向に駆動する粗動用圧電素子、１０３は板状の記録媒体
。

１０４は探針駆動機構の走査可能領域で決まる記録エリ
アを一列に並べたデータ列である。記録媒体１０３は、
図示せぬ移動機構により、図中矢印の方向に並進移動さ
れ、記録エリアは列状に記録される。探針駆動機構１０
２と粗動用圧電素子１０５は、図示せぬリニアモータな
どの移動機構によりデータ列と直交する方向に移動可能
なように構成され、任意のデータ列にアクセスし、デー
タの記録再生を行なうことができる。その際、目標とす
るデータ列までのアクセスは、リニアエンコーダーなど
の位置検出装置により行なわれ、その後、探針駆動機構
１０２の各々の探針は、目標のデータ列の各々の記録エ
リア内を走査する。

次に記録媒体１０３は電気メモリー効果を持つ薄膜、例
えば、π電子系有機化合物やカルコゲン化物類からなる
記録層と導電性のある基板からなり、探針と導電性基板
間にあるしきい値以上の電圧を印加することにより、探
針直下の記録層に微小な領域で特性変化を生じさせ記録
を行うことができる。また、再生は、探針と記録層間に
流れるトンネル電流が、記録部と非記録部とで変化する
ことにより行なう。

本発明で用いる記録媒体としては、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
有する材料、例えば、π電子準位をもつ群とσ電子準位
のみを有する群を併有する分子を電極上に積層した有機
単分子膜あるいはその累積膜を用いることが可能となる
。

例えば記録媒体１０３には、ガラスや雲母などの平坦な
基板上の金のエピタキシャル成長面やグラファイトへき
開面上に記録層として、スクアリリュウムービス−６−
オクチルアズレン（以下５ＯＡＺと略す）をラングミュ
ア・プロジェット法によって、単分子膜２層の累積膜を
形成したものを用いることができる。

その場合、プローブと記録層間に印加する電圧が電気メ
モリー効果を生じる閾値電圧以下の電圧、例えばＩＶの
とき、電流値は１０−”Ａ以下で記録層はＯＦＦ状態の
ままである。次に閾値電圧以上の三角波パルス電圧を印
加した後に、再び１ｖの電圧を印加すると１０−’Ａ程
度の電流が流れＯＮ状態に変化し、ＯＮ状態が記録され
る。次に、ＯＮ状態からＯＦＦ状態へ変化する閾値電圧
以上の逆極性の三角波パルスを印加した後ＩＶの電圧を
印加したところ、電流値は１Ｏ−１ｌＡ以下となり、Ｏ
ＦＦ状態に戻り記録が消去されたことが実験的に認めら
れた。

その他に、本発明に好適なπ電子系を有する色素の構造
として例えば、フタロシアニン、テトラフェニルポルフ
ィリン等のポルフィリン骨格を有する色素、スクアリリ
ウム基及びクロコニックメチン基を結合鎖として持つア
ズレン系色素及びキノリン、ベンゾチアゾール、ベンゾ
オキサゾール等の２個の含窒素複素環をスクアリリウム
基及びクロコニックメチン基により結合したシアニン系
類似の色素、またはシアニン色素、アントラセン及びピ
レン等の縮合多環芳香族、及び芳香環及び複素環化合物
が重合した鎖状化合物及びジアセチレン基の重合体、更
にはテトラシアノキノジノメタンまたはテトラチアフル
バレンの誘導体及びその電荷移動錯体、また更にはフェ
ロセン、トリスビピリジンルテニウム錯体等の金属錯体
化合物が挙げられる。

さらに本発明に好適な高分子材料としては、例えばポリ
アクリル酸誘導体等の付加重合体、ポリイミド等の縮合
重合体、ナイロン等の開環重合体、バタテリオロドブシ
ン等の生体高分子が挙げられる。

また記録媒体１０３として、あるしきい値以上の電圧を
印加すると表面が局所的に溶融または蒸発して、表面形
状が凹または凸に変化する材料、例えば、Ａｕ、Ｐｔな
どの金属薄膜を用いてもよい。

次に、記録再生の方法を説明する。

まず、記録方法は、２方向粗動用圧電素子１０５と探針
駆動機構１０２は移動機構により、記録位置に移動し、
記録媒体１０３のあるしきい値を越える電圧を印加する
ことにより行なう。その際、記録媒体１０３には、バイ
アス回路１０６によりバイアス電圧が加えられ、探針は
記録媒体１０３に対してトンネル電流が流れる距離に保
たれている。その接近は、２方向粗動用圧電素子１０５
により、近傍まで近づけ、後は、複数ある探針駆動機構
１０２で各々の探針ごとにトンネル領域に引き込まれる
。その引込みは各探針に対応したトンネル電流検出回路
１０７により検出されたトンネル電流を各々の探針駆動
機構１０２の２方向サーボ回路１１０を通してフィード
バックすることにより、各探針と記録媒体間を一定距離
に制御している。そのとき、Ｚ方向サーボ回路１１０に
はローパスフィルターが設けられ、そのカットオフ周波
数はデータ信号には追従せず、記録媒体の面振れ、表面
のうねりに追従できるように選ばれ、探針と記録媒体の
平均距離が一定となるように制御される。

記録時には、制御回路１１２から記録信号がパルス印加
回路１０８に送られ、各探針にパルス電圧として印加さ
れ、記録が行なわれる。

その際、パルス印加により探針と記録媒体の距離が変化
しないように２方向サーボ回路１１０には、ホールド回
路を設けて、パルス電圧が印加されている探針駆動機構
１０２の駆動電圧を保持する。

そのとき、データ列の記録エリア内には図の拡大図のよ
うに記録ビットがマトリクス状に記録される。各々の記
録ビット列には、アドレス情報が挿入されており、再生
時のデータの識別を行なう。

次に再生方法について説明する。

再生時には探針は、移動機構により所望のデータ列の記
録エリア上に移動し、記録媒体１０３の表面との間のト
ンネル電流の記録部と非記録部の変化分を検出し再生を
行なう。そのとき探針駆動機構１０２はＸＹ位置制御回
路１０９により制御され、探針が記録エリアの全域を走
査するように駆動される。１つの記録エリア内の再生信
号は、トンネル電流検出回路１０７を通し、制御回路１
１２で信号処理して一時的に記憶され、その中から所望
のデータのみが再生出力される。

このような記録再生装置において探針駆動機構を前記実
施例のような構成とすることにより、１つの探針で走査
できる領域が広がり、１つの記録エリアが大きくなり、
全体として記録密度を上げることができる。

［発明の効果］ 以上のように、電極を長手方向に２分割した圧電バイモ
ルフ部材を少なくとも２本直交して配置することにより
、バイモルフの変位拡大作用をＸＹ力方向利用すること
ができ、探針の走査範囲の拡大が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図の（ａ）は本発明の第１の実施例の概略図、（ｂ
）は動作説明図、（Ｃ）は断面図、第２図の（ａ）は本
発明の第２の実施例の概略図、（ｂ）は動作説明図、（
Ｃ）は断面図、第３図は本発明の第３の実施例の概略図
、第４図は本発明の第４の実施例の概略図、第５図は従
来例の説明図である。 １・・・シリコン基板 ２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂ−２分割電極 ５・・・圧電体 ７・・・探針 １０．１２，１４，１５，１６．１７・・・圧電バイモ
ルフ部材 ９ａ、９ｂ、９ｃ・・・ポンディングパッド１０２・・
・探針駆動機構 １０３・・・記録媒体 １０５・・・２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 １０８・・・パルス印加回路 １０９・・・ＸＹ位置制御回路 １１０・・・Ｚ方向サーボ回路 １１２・・・制置回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）電極を長手方向に分割した圧電バイモルフ部材が
   少なくとも２本直交して形成され、その一端は基板に固
   定され、他端には探針が設けられていることを特徴とす
   る探針駆動機構。
2. （２）請求項（１）に記載の探針駆動機構が、探針に関
   して線対称となるよう門型に形成されていることを特徴
   とする探針駆動機構。
3. （３）請求項（１）に記載の探針駆動機構、該探針と観
   察すべき試料媒体とを相対的に移動させる手段及び探針
   と試料媒体の間に電圧を印加する手段を備えたことを特
   徴とする情報処理装置。
4. （４）請求項（１）に記載の探針駆動機構、該探針と記
   録媒体とを相対的に移動させる手段及び探針と記録媒体
   との間に電圧を印加する手段を備えたことを特徴とする
   情報処理装置。