JPH04254930A - Probe unit and information processing device and scanning tunnel microscope using the unit - Google Patents

Probe unit and information processing device and scanning tunnel microscope using the unit

Info

Publication number
JPH04254930A
JPH04254930A JP3518791A JP3518791A JPH04254930A JP H04254930 A JPH04254930 A JP H04254930A JP 3518791 A JP3518791 A JP 3518791A JP 3518791 A JP3518791 A JP 3518791A JP H04254930 A JPH04254930 A JP H04254930A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
probe unit
probe
substrate
information processing
cantilever
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP3518791A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2890268B2 (en
Inventor
Kunihiro Sakai
酒井 邦裕
Toshimitsu Kawase
俊光 川瀬
Toshihiko Miyazaki
俊彦 宮崎
Osamu Takamatsu
修 高松
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP3518791A priority Critical patent/JP2890268B2/en
Publication of JPH04254930A publication Critical patent/JPH04254930A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP2890268B2 publication Critical patent/JP2890268B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

PURPOSE:To make the unit rapidly responsive, to stabilize the follow-up to the command and to precisely control displacement by forming a flexible part to close the cavity of a substrate and reducing the part connecting the cavity and the outside. CONSTITUTION:Metallic electrodes 9, 10 and 11 and a ZnO dielectric are alternately laminated on a silicon substrate 1 through a silicon nitride film 2 to constitute a cantilever of specified size, and a probe 4 is formed on the free end of the cantilever. The cantilever is set on the cavity 7 of the substrate 1, a covering sheet 14 previously provided with a protrusion is adhered to the rear of the substrate 1, and a hole extending to the rear from the opening of the substrate 1 through the cavity 7 is closed. Consequently, an antiseismic mechanism is omitted or simplified, and the device to be provided with the probe unit is miniaturized.

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、走査型トンネル顕微鏡
またはその原理を応用した情報の高密度記録,再生,消
去を行う情報処理装置等に用いるトンネル電流検知用の
プローブユニット及びこれを用いた前述装置等に関する
[Industrial Application Field] The present invention relates to a probe unit for detecting tunneling current used in a scanning tunneling microscope or an information processing device that performs high-density recording, reproduction, and erasing of information applying the principle thereof, and a probe unit using the same. This relates to the above-mentioned device, etc.

【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.Binning  et 
 al.,Phys.Rev.Lett.49(198
2)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。
[Prior Art] In recent years, scanning tunneling microscopes (hereinafter referred to as ST), which can directly observe the electronic structure of surface atoms of conductors, have been
(abbreviated as M) was developed (G. Binning et
al. , Phys. Rev. Lett. 49 (198
2) 57) It has become possible to measure real space images of both single crystal and amorphous materials with extremely high resolution (nanometers or less).

【0003】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。
[0003] Such STM uses a metal probe.
This method utilizes the fact that when a voltage is applied between a conductive material and a conductive material and the material is brought close to a distance of about 1 nm, a tunnel current flows between the two. This current is very sensitive to changes in the distance between the two and changes exponentially, so by scanning the probe while keeping the tunnel current constant, it is possible to observe the surface structure in real space with atomic-order resolution. can.

【0004】この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、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。
Analysis using this STM is limited to conductive materials, but it has also begun to be applied to structural analysis of thin insulating films formed on the surfaces of conductive materials. Furthermore, the above-mentioned device/
Since the method uses a method of detecting minute currents, it has the advantage of not damaging the medium and allowing observation with low power. Furthermore, since it is possible to operate in the atmosphere, STM is expected to have a wide range of applications.

【0005】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
記録を行うものであり、記録媒体としては、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。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ある。
[0005] In particular, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-161552,
As proposed in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 63-161553, the practical use of high-density recording and reproducing devices is being actively promoted. This uses a probe similar to STM to perform recording by changing the voltage applied between the probe and the recording medium, and the recording medium exhibits switching characteristics with memory characteristics in voltage-current characteristics. A thin film layer of a material such as a chalcogenide or a π-electron based organic compound is used. On the other hand, reproduction is performed by changing the tunnel resistance between the recorded area and the unrecorded area. Recording and reproduction can be performed on a recording medium using this recording method, even if the surface shape of the recording medium changes depending on the voltage applied to the probe.

【0006】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(K.E.Peterson,“Sili
con  as  a  Mechanical  M
aterial”,Proceedings  of 
 the  IEEE、70巻、420頁、1982年
)を利用して構成したSTMが、特開昭61−2061
48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。
Conventionally, as a method for forming probes, semiconductor manufacturing process technology is used to create a fine structure on a single substrate (K.E. Peterson, "Silicon").
con as a mechanical M
material”,Proceedings of
The STM constructed using the IEEE, Vol. 70, p. 420, 1982) was published in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 61-2061.
This is proposed in Publication No. 48. This uses single-crystal silicon as a substrate, and uses microfabrication to produce this in the direction parallel to the substrate surface (X
A parallel spring that can be moved slightly in the Y direction is formed, and a cantilever structure tongue-like part in which a probe is formed is provided on the movable part, and an electric field is applied between the tongue-like part and the bottom part to generate static electricity. It is configured to be displaced in a direction perpendicular to the substrate plane (Z direction) by electric power.

【0007】また、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。
[0007] Furthermore, Japanese Patent Laid-Open No. 62-281138 discloses a storage device equipped with a transducer array having a multi-array of tongue-shaped portions similar to that disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 61-206148. has been done.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
のカンチレバー構造では振動等の影響を受け易く、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、系外部からの振動を除去するための除震機構
が不可欠であり、その結果構造が複雑になり機器全体の
小型化を困難にしていた。
[Problems to be Solved by the Invention] However, the conventional cantilever structure is easily affected by vibrations, etc., and it is extremely difficult to perform precise displacement control with good reproducibility. Therefore, a vibration isolation mechanism to remove vibrations from outside the system is essential, which results in a complicated structure and makes it difficult to downsize the entire device.

【0009】また、機器外部からの振動のみならず、可
撓部自身が急激な変位をする際に寄生振動等の誘発を起
こし易く、その結果、プローブ/媒体間の位置制御にお
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。
[0009] In addition to vibrations from outside the device, parasitic vibrations are likely to occur when the flexible part itself undergoes sudden displacement, and as a result, when controlling the position between the probe and the medium, Another problem was that large discrepancies occurred. If the control is not performed satisfactorily, the probe may come into contact with the scanned medium.
This is a very important problem in that the probe and the medium may be damaged.

【0010】かか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手段としては、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。
[0010] As a specific means for suppressing steep displacements to prevent such parasitic vibrations from occurring, it is possible to ensure control stability by cutting off the high-frequency characteristics of the control signal frequency characteristics. However, on the other hand, this results in sacrificing the responsiveness of probe displacement.

【0011】本来、このようなカンチレバーで代表され
る微小駆動機構は、可動範囲が小さい代わりに高速性が
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。
[0011] Originally, such a micro-drive mechanism represented by a cantilever is expected to have high speed in spite of its small movable range, but as mentioned above, it is difficult to achieve high-speed response due to the limitation of vibration. there were.

【0012】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、かつ外乱の存在下
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及びこれを用いた情報処理装
置と走査型トンネル顕微鏡を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to overcome the above-mentioned drawbacks of the conventional example, and to enable precise displacement control that enables high-speed response and stable target value tracking even in the presence of disturbances. An object of the present invention is to provide a probe unit, an information processing device using the same, and a scanning tunneling microscope.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段及び作用】上記の目的は、
以下の構成からなる発明によって達成される。
[Means and actions for solving the problem] The above purpose is to
This is achieved by the invention having the following configuration.

【0014】基板上に形成された梁状の可撓部及び該可
撓部端部にプローブを有するプローブユニットであって
、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、及びその変位に対するダンパー機構を
有するプローブユニット、によって達成される。
[0014] A probe unit having a beam-shaped flexible portion formed on a substrate and a probe at an end of the flexible portion, the probe unit comprising a driving means for displacing the probe at least in a direction perpendicular to the substrate surface, and This is achieved by a probe unit with a damper mechanism against displacement.

【0015】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の梁構造、即ちカンチ
レバー構造体を示す。そして、かかるカンチレバーには
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、カンチレバーの形状は任意である。
[0015] Here, the beam-shaped flexible portion refers to a beam structure in which one end of the flexible portion is fixed to a substrate, that is, a cantilever structure. The cantilever is formed with at least a driving mechanism and wiring, and a wiring area for applying voltage to the probe. At this time, the shape of the cantilever is arbitrary.

【0016】また、カンチレバーを変位させる手段とし
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
等から、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。かか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ッ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
ッチングを施して、上記バイモルフ構造をカンチレバー
状に支持させるものである。勿論、予め半導体基板上に
カンチレバー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カンチレバー上に所
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。また、ダンパー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。
In addition, as means for displacing the cantilever, means such as piezoelectric effect and electrostatic force are generally known, but in view of the maximum displacement amount and the linearity of the displacement amount with respect to the driving voltage, it is preferable to use a piezoelectric bimorph. Displacement means are used. The production of such a piezoelectric bimorph is known. For example, a bimorph structure is formed on the surface of a semiconductor substrate by repeating sputtering or vapor deposition, photolithography, and etching steps, and then the semiconductor substrate is etched to form a cantilevered bimorph structure. It is intended to be supported in a similar manner. Of course, it is also possible to form a bimorph structure by forming a cantilever structure on a semiconductor substrate in advance and then layering a desired material on the cantilever by means such as mask evaporation or mask sputtering. The method of manufacturing the flexible portion does not limit the present invention in any way. Further, the effect of the damper mechanism is not affected by the method of driving the flexible portion, and the present invention does not limit the selectivity of the driving method.

【0017】また、上記プローブユニットにおいて、ダ
ンパー機構は、基板上に形成されたカンチレバー下方空
隙部7を他の媒体で塞ぐようにして実現される。すなわ
ち、空隙部内に気体(例えば空気)を充填し、そのダン
ピング作用により、或いは気体がバネとして働くことで
カンチレバーの固有振動数をより高域にシフトする効果
により、カンチレバー3の寄生振動等を抑制するもので
ある。
Furthermore, in the above probe unit, the damper mechanism is realized by filling the cantilever lower cavity 7 formed on the substrate with another medium. That is, parasitic vibrations of the cantilever 3 are suppressed by filling the gap with gas (for example, air) and by its damping effect, or by the effect of shifting the natural frequency of the cantilever to a higher frequency range by the gas acting as a spring. It is something to do.

【0018】この時、該空隙部7と外部を連通する部分
を狭めることによって、空隙部に気体を閉じ込め、また
速度成分の抵抗増加が図れる。尚、特開平2−2829
45号公報に示される様に、プローブユニット自体を密
閉系中に収めることは容易で、この時、空隙部も含めて
密閉系に空気以外の気体、或いは液体を充填することに
よってダンパー特性を制御することも可能である。
At this time, by narrowing the portion communicating the gap 7 with the outside, gas can be confined in the gap and the resistance of the velocity component can be increased. Furthermore, Japanese Patent Application Publication No. 2-2829
As shown in Publication No. 45, it is easy to house the probe unit itself in a closed system, and at this time, the damper characteristics can be controlled by filling the closed system, including the voids, with a gas other than air or a liquid. It is also possible to do so.

【0019】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、カンチレバー3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、
実用上梁の長手方向の長さが数10μm〜数100μm
程度であるため、その振動に対するQ値が10〜100
と極めて高い値を有し、外来振動乃至はカンチレバー自
身の挙動によって寄生振動が生じていた。本発明はカン
チレバー部にダンパー機構を設けることによって、本来
不要とされる変位を抑止し、制御性の高いプローブユニ
ットを提供するものである。
[0019] Conventionally, the reason why the probe unit has exhibited a characteristic of being sensitive to vibrations and the like is mainly due to the fact that the cantilever 3 is formed in a minute size. That is,
In practice, the length of the beam in the longitudinal direction is several tens of μm to several hundred μm.
Since the Q value for that vibration is about 10 to 100
It had an extremely high value, indicating that parasitic vibration was caused by external vibration or the behavior of the cantilever itself. The present invention provides a probe unit with high controllability by suppressing unnecessary displacement by providing a damper mechanism in the cantilever portion.

【0020】更に、空隙部7及びカンチレバーを形成す
る圧電バイモルフ構造の作製には、従来公知の半導体製
造技術を適用することができ、再現性の高い形状、及び
所望の特性を容易に得ることが可能である。
Furthermore, conventionally known semiconductor manufacturing techniques can be applied to the production of the piezoelectric bimorph structure forming the cavity 7 and the cantilever, and a highly reproducible shape and desired characteristics can be easily obtained. It is possible.

【0021】また、媒体と対向させた1個ないし複数個
のプローブを独立に駆動して、媒体への情報の書き込み
及び書き込んだ情報の消去、又は媒体からの情報の読み
出し、又は媒体への情報の書き込み及び読み出し及び消
去を行う各々の情報処理装置において、プローブユニッ
トとして上記のようなダンパー機構を有するものを用い
た情報処理装置とすることによって、上記目的を達成す
ることができる。
[0021] Also, one or more probes facing the medium are independently driven to write information to the medium, erase written information, read information from the medium, or write information to the medium. The above object can be achieved by using an information processing apparatus that has a damper mechanism as described above as a probe unit in each information processing apparatus that performs writing, reading, and erasing.

【0022】さらに、試料を対向させた1個ないし複数
個のプローブを独立に駆動して、試料を検査する走査型
トンネル顕微鏡において、プローブユニットとして上記
のようなダンパー機構を有するものを用いた走査型トン
ネル顕微鏡とすることによって、上記目的を達成するこ
とができる。
Furthermore, in a scanning tunneling microscope in which a sample is inspected by independently driving one or more probes facing the sample, scanning using a probe unit having a damper mechanism as described above is possible. The above objective can be achieved by using a type tunneling microscope.

【0023】[0023]

【実施例】上記プローブユニット及びダンパー機構につ
いて、以下実施例を用いて詳細な説明を行う。
EXAMPLES The probe unit and damper mechanism described above will be explained in detail below using examples.

【0024】実施例1 図面を参照して本実施例を説明する。図1は本実施例の
プローブユニット外観の斜視図である。この該プローブ
ユニットは、金属電極とZnO誘電体を交互に積層した
圧電バイモルフ構造からなる幅100μm、長さ500
μmのカンチレバー3、及びカンチレバー3の自由端に
設けたプローブ電極4から構成される。かかるプローブ
ユニットを用いれば、圧電体に電圧を印加することによ
ってカンチレバー3を基板面と直交する方向(Z方向)
に撓ませ、プローブ位置をZ方向に変位させることがで
きる。更に、カンチレバー3は基板の空隙部7上に形成
されており、本実施例においてはこの空隙部内に大気を
充填するものである。該バイモルフ及びダンパー機構の
形成手順は図2を用いて以下に説明する。
Example 1 This example will be explained with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of the external appearance of the probe unit of this embodiment. This probe unit has a piezoelectric bimorph structure in which metal electrodes and ZnO dielectric are alternately laminated, and has a width of 100 μm and a length of 500 μm.
It consists of a cantilever 3 with a diameter of μm and a probe electrode 4 provided at the free end of the cantilever 3. If such a probe unit is used, the cantilever 3 can be moved in a direction perpendicular to the substrate surface (Z direction) by applying a voltage to the piezoelectric body.
It is possible to flex the probe and displace the probe position in the Z direction. Furthermore, the cantilever 3 is formed on the cavity 7 of the substrate, and in this embodiment, this cavity is filled with air. The steps for forming the bimorph and damper mechanism will be explained below using FIG. 2.

【0025】先ず、シリコン半導体基板1表面に絶縁膜
として膜厚500nmの窒化シリコン膜2を高周波スパ
ッタにより形成した(図2(a))。次にフォトリソ工
程を経て該窒化膜に開口部8(幅1μm)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(図2(b)〜(e))。電極材
料としては、下地電極9にCrを下引きとしたAuを用
い、中間電極10および上部電極11にはAlを用いた
。また、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13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。更に、KOH水溶液をエ
ッチャントとした異方性エッチングを基板下部より行い
、開口部8に空隙部7を設けた(図2(f))。しかる
後に、基板裏面にシリコンウエハからなる被覆板14を
接着し、基板表面から裏面へ貫通した孔の裏面側を塞ぐ
ことによって、図3に断面概略を示すプローブユニット
を得た。尚、所望の空隙部容積を実現する為に、裏面か
ら接着した被覆板14にはあらかじめ突起部を設けた。 ここで、空隙部7の寸法について述べると、空隙部容積
(V)5×10−13m3〜2×10−12m3、開口
部面積(a)1×10−9m2〜8×10−9m2、空
隙部底面積(A)5×10−8m2〜5×10−7m2
である。尚、このときのカンチレバーの振動質量は2×
10−9kgである。
First, a silicon nitride film 2 having a thickness of 500 nm was formed as an insulating film on the surface of a silicon semiconductor substrate 1 by high-frequency sputtering (FIG. 2(a)). Next, after forming an opening 8 (width 1 μm) in the nitride film through a photolithography process,
A piezoelectric bimorph consisting of a laminated structure of a metal electrode and a piezoelectric material was formed on a nitride film (FIGS. 2(b) to 2(e)). As electrode materials, Au with Cr subbing was used for the base electrode 9, and Al was used for the intermediate electrode 10 and the upper electrode 11. Further, for the piezoelectric layer 12, ZnO (film thickness: 1.2 μm) deposited by high frequency sputtering was used. Furthermore, after the entire bimorph device fabricated as described above is covered with a protective layer 13 made of a silicon nitride film deposited by sputtering, a probe 4 having a conical protrusion made of vapor-deposited Au is formed. Ta. Further, anisotropic etching was performed from the bottom of the substrate using a KOH aqueous solution as an etchant to form a void 7 in the opening 8 (FIG. 2(f)). Thereafter, a covering plate 14 made of a silicon wafer was adhered to the back surface of the substrate to close the back side of the hole penetrating from the front surface to the back surface of the substrate, thereby obtaining a probe unit whose cross section is schematically shown in FIG. 3. Incidentally, in order to realize a desired void volume, a protrusion was provided in advance on the cover plate 14 which was adhered from the back side. Here, to describe the dimensions of the void 7, the void volume (V) 5 x 10-13 m3 to 2 x 10-12 m3, the opening area (a) 1 x 10-9 m2 to 8 x 10-9 m2, the void Base area (A) 5 x 10-8 m2 ~ 5 x 10-7 m2
It is. In addition, the vibration mass of the cantilever at this time is 2×
It is 10-9 kg.

【0026】以上のようにして作製したプローブユニッ
トを図4に示す情報の記録、再生及び消去の機能を併有
する情報処理装置に設置し、記録媒体としては特開昭6
3−161552号公報及び特開昭63−161553
号公報に開示されているAu電極上にポリイミドLB膜
(2層膜)を積層したものを用い、記録、再生及び消去
の実験を行った。かかる装置において、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
は前記カンチレバーの可撓範囲によって行う。XY方向
の駆動に関しては20が粗動、23が微動機構として働
く。Z方向変位はサーボ制御されており、バイアス電源
25によって試料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2
4によってカンチレバー3の変位を行うものである。か
かる装置においてXY方向にプローブを走査しながら、
バイアス電圧(0.1V)に波高値−6V及び+1.5
V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出しを行っ
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。また、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。
The probe unit manufactured as described above was installed in an information processing device having the functions of recording, reproducing and erasing information as shown in FIG.
Publication No. 3-161552 and JP-A-63-161553
Recording, reproducing, and erasing experiments were conducted using a polyimide LB film (two-layer film) laminated on an Au electrode as disclosed in the publication. In this device, reference numerals 17 and 18 are a driving section and a displacement mechanism section that perform coarse movement in the Z direction, and fine movement is performed by the flexible range of the cantilever. Regarding drive in the XY directions, 20 acts as a coarse movement mechanism, and 23 acts as a fine movement mechanism. The Z-direction displacement is servo-controlled, and a bias power supply 25 applies a DC bias voltage between the sample 26 and the probe 4, and the microcomputer 15 calculates an error signal between the current value flowing through the probe and the target value, and the drive circuit 2
4 to displace the cantilever 3. While scanning the probe in the X and Y directions in such a device,
Bias voltage (0.1V) and peak value -6V and +1.5
Electrical information was written by applying a voltage with a continuous pulse wave of V superimposed between the sample and the probe. Furthermore, as a result of reading recorded information from the obtained STM image, it was confirmed that the recorded information and reproduced information matched with good reproducibility. In addition, when the probe approached the recorded area on the sample, a pulse voltage with a peak value of 3V was superimposed on the bias voltage, and the reproduced STM
It has been confirmed that the information recorded from the statue has been erased.

【0027】更に、XY方向へ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/試料間距離)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、かつこの時、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、−12dB/oct)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3〜5
KHz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、かかる周波数は試料の支持
台まで含めた装置全体の機械的固有振動数(約8〜10
KHz)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。
Furthermore, with scanning in the X and Y directions stopped, the probe was brought close to the sample until a tunnel current of about 100 pA flowed, and then the displacement amount of the probe unit was controlled to examine stability. Specifically, while servo control of the probe position (probe/sample distance) is being performed, the tunnel current target value is periodically changed between 100 pA and 1 nA, and at this time, the tunnel current target value is changed in advance in series with the servo system. A programmable filter with a variable cutoff frequency inserted into the
By changing the cutoff frequency of a low-pass filter (-12 dB/oct), we observed the frequency at which the servo system becomes unstable, in other words, the actual measured value of the tunnel current starts to cause damped oscillation or oscillation. As a result, the cutoff frequency is 3 to 5.
It was confirmed that stable displacement control is possible even in the range reaching KHz. However, this frequency is the mechanical natural frequency of the entire device including the sample support stand (approximately 8 to 10
KHz), and it is thought that the response frequency of the single probe unit of this embodiment is even higher.

【0028】尚、本実施例ではプローブユニットを情報
処理装置に設置したが、何等変更することなくSTM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と
して適用することができる。
In this embodiment, the probe unit is installed in an information processing device, but it can be applied as a probe unit for a scanning tunnel current detection device such as an STM without any modification.

【0029】実施例2 ダンパー機構以外は実施例1と全く同様の製造方法でプ
ローブユニットの作製を行った。但しこの時、KOHに
よる異方性エッチングを基板上部より行い、エッチング
時間を制御することによって裏面まで貫通していない空
隙部7を形成し、図5に断面概略を示すプローブユニッ
トを得た。ここで、空隙部7の深さは12μm、空隙部
容積(V)7×10−13m3、開口部面積(a)4×
10−9m2であった。
Example 2 A probe unit was manufactured in the same manner as in Example 1 except for the damper mechanism. However, at this time, anisotropic etching with KOH was performed from the upper part of the substrate, and by controlling the etching time, a cavity 7 that did not penetrate to the back surface was formed, and a probe unit whose cross section is schematically shown in FIG. 5 was obtained. Here, the depth of the cavity 7 is 12 μm, the volume of the cavity (V) 7 × 10-13 m3, and the area of the opening (a) 4 ×
It was 10-9 m2.

【0030】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、情報処理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〜
5KHzのP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。ダンパー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と比較して工程の
簡略化が図られているが、ダンパー特性として同程度の
効果が得られたことが分かる。
Using the probe unit manufactured as described above, the stability of displacement control was examined in the same manner as in Example 1 when it was installed in an information processing device. As a result, it is still 1~
It was confirmed that stable servo control can be performed even in the 5KHz P frequency band. Regarding the method of forming the damper mechanism, it can be seen that although the method shown in this example has simplified steps compared to Example 1, the same degree of effect on damper characteristics was obtained.

【0031】比較例 ダンパー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(図6)。プローブの作製工程は実施例2と
同様であるが、窒化膜開口部の幅を20μmとし、基板
と可撓部との間隙を充分に大きくした結果、ダンパー効
果の著しく小さいプローブユニットを得た。評価は実施
例2と同様、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。
Comparative Example A probe unit without a damper mechanism was manufactured and evaluated (FIG. 6). The probe manufacturing process was the same as in Example 2, but the width of the nitride film opening was 20 μm and the gap between the substrate and the flexible portion was made sufficiently large, resulting in a probe unit with a significantly small damper effect. The evaluation was conducted in the same way as in Example 2, after confirming that recording and reproducing could be performed stably using the fabricated probe unit, the stability of the control system was examined by changing the target value of the servo system.

【0032】その結果、トンネル電流目標値を100p
A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300pA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KHzオーダでの安
定動作は実現しなかった。
As a result, the tunnel current target value was set to 100p.
When changing periodically between A and 1 nA, the cutoff frequency of the low-pass filter must be 10 in order for the system to operate stably.
It needed to be ~30Hz or less. If the tunnel current target value to be changed is limited to the range of 100 pA and 300 pA, the cutoff frequency at which stable operation is observed can be increased, but it is about 100 Hz, and stable operation on the KHz order was not realized.

【0033】[0033]

【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、かつ外乱
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。また、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。
[Effects of the Invention] According to the present invention, by adding an extremely simple manufacturing process, it is possible to perform precise displacement control that enables high-speed response and stably follows the target value even in the presence of disturbances. A probe unit can be provided. Further, since the probe unit of the present invention is stable against external vibrations, a vibration isolation mechanism can be omitted or simplified, and the probe unit is suitable for downsizing the entire device in which the probe unit is installed. As a result, economic effects are expected due to the simplification of the vibration isolation mechanism.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明の第1の実施例のプローブユニット外観
の斜視図を示す。
FIG. 1 shows a perspective view of the external appearance of a probe unit according to a first embodiment of the present invention.

【図2】カンチレバーおよびダンパー機構形成の主要工
程を示すプローブユニット断面図を示す。
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the probe unit showing the main steps of forming the cantilever and damper mechanism.

【図3】本発明の第1の実施例のプローブユニットの断
面概略図を示す。
FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of a probe unit according to a first embodiment of the present invention.

【図4】情報処理装置の構成を示す概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of an information processing device.

【図5】本発明の第2の実施例のプローブユニットの断
面概略図を示す。
FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of a probe unit according to a second embodiment of the present invention.

【図6】従来のプローブユニット外観の斜視図である。FIG. 6 is a perspective view of the appearance of a conventional probe unit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1  シリコン基板 2  窒化シリコン膜 3  カンチレバー 4  プローブ 5  カンチレバー型プローブ 7  空隙部 8  開口部 9  下地電極 10  中間電極 11  上部電極 12  圧電体層 13  保護層 14  被覆板 15  マイクロコンピュータ 16  表示装置 17  Z方向粗動駆動回路 18  Z方向粗動機構 19  XY方向粗動駆動回路 20  XY方向粗動機構 21  XYステージ 22  走査駆動回路 23  XY方向微動走査機構 24  サーボ回路及びプローブ駆動回路25  バイ
アス電圧源及びプローブ電流増幅器26  試料
1 Silicon substrate 2 Silicon nitride film 3 Cantilever 4 Probe 5 Cantilever probe 7 Cavity 8 Opening 9 Base electrode 10 Intermediate electrode 11 Upper electrode 12 Piezoelectric layer 13 Protective layer 14 Cover plate 15 Microcomputer 16 Display device 17 Z direction roughness Dynamic drive circuit 18 Z direction coarse movement mechanism 19 XY direction coarse movement drive circuit 20 XY direction coarse movement mechanism 21 XY stage 22 Scan drive circuit 23 XY direction fine movement scanning mechanism 24 Servo circuit and probe drive circuit 25 Bias voltage source and probe current amplifier 26 Sample

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  基板上に形成された梁状の可撓部及び
該可撓部の自由端側にプローブを有し、かつ前記プロー
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
から構成されるプローブユニットにおいて、前記可撓部
が基板上に形成された空隙部を塞ぐようにして形成され
ており、該空隙部と外部を連通する部分が狭められてい
ることを特徴とするプローブユニット。
1. A beam-shaped flexible section formed on a substrate, a probe on a free end side of the flexible section, and a drive means for displacing the probe at least in a direction perpendicular to the substrate surface. A probe unit characterized in that the flexible portion is formed to close a gap formed on a substrate, and a portion communicating with the gap to the outside is narrowed.
【請求項2】  前記空隙部が気体によって満たされて
いることを特徴とする請求項1に記載のプローブユニッ
ト。
2. The probe unit according to claim 1, wherein the cavity is filled with gas.
【請求項3】  媒体と対向させた1個ないし複数個の
プローブを独立に駆動し、媒体への情報の書き込み及び
書き込んだ情報の消去を行う情報処理装置において、プ
ローブユニットとして、請求項1又は2に記載のプロー
ブユニットを具備したことを特徴とする情報処理装置。
3. An information processing apparatus that writes information to the medium and erases written information by independently driving one or more probes facing the medium, as a probe unit, according to claim 1 or An information processing device comprising the probe unit according to item 2.
【請求項4】  媒体と対向させた1個ないし複数個の
プローブを独立に駆動して媒体からの情報の読み出しを
行う情報処理装置において、プローブユニットとして、
請求項1又は2に記載のプローブユニットを具備したこ
とを特徴とする情報処理装置。
4. In an information processing device that reads information from a medium by independently driving one or more probes facing the medium, as a probe unit:
An information processing device comprising the probe unit according to claim 1 or 2.
【請求項5】  媒体と対向させた1個ないし複数個の
プローブを独立に駆動し媒体への情報の書き込み、読み
出し及び消去を行う情報処理装置において、プローブユ
ニットとして、請求項1又は2に記載のプローブユニッ
トを具備したことを特徴とする情報処理装置。
5. An information processing device that writes, reads, and erases information on a medium by independently driving one or more probes facing the medium, as a probe unit according to claim 1 or 2. An information processing device comprising: a probe unit.
【請求項6】  試料と対向させた1個ないし複数個の
プローブを独立に駆動して、試料を検査する走査型トン
ネル顕微鏡において、プローブユニットとして、請求項
1又は2に記載のプローブユニットを具備したことを特
徴とする走査型トンネル顕微鏡。
6. A scanning tunneling microscope that inspects a sample by independently driving one or more probes facing the sample, comprising the probe unit according to claim 1 or 2 as a probe unit. A scanning tunneling microscope characterized by:
JP3518791A 1991-02-05 1991-02-05 Probe unit, information processing apparatus using the same, and scanning tunnel microscope Expired - Fee Related JP2890268B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP3518791A JP2890268B2 (en) 1991-02-05 1991-02-05 Probe unit, information processing apparatus using the same, and scanning tunnel microscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP3518791A JP2890268B2 (en) 1991-02-05 1991-02-05 Probe unit, information processing apparatus using the same, and scanning tunnel microscope

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH04254930A true JPH04254930A (en) 1992-09-10
JP2890268B2 JP2890268B2 (en) 1999-05-10

Family

ID=12434850

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP3518791A Expired - Fee Related JP2890268B2 (en) 1991-02-05 1991-02-05 Probe unit, information processing apparatus using the same, and scanning tunnel microscope

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2890268B2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9995765B2 (en) 2008-11-13 2018-06-12 Bruker Nano, Inc. Method and apparatus of using peak force tapping mode to measure physical properties of a sample
US10502761B2 (en) 2008-11-13 2019-12-10 Bruker Nano, Inc. Method and apparatus of operating a scanning probe microscope
US10845382B2 (en) 2016-08-22 2020-11-24 Bruker Nano, Inc. Infrared characterization of a sample using oscillating mode

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9995765B2 (en) 2008-11-13 2018-06-12 Bruker Nano, Inc. Method and apparatus of using peak force tapping mode to measure physical properties of a sample
US10502761B2 (en) 2008-11-13 2019-12-10 Bruker Nano, Inc. Method and apparatus of operating a scanning probe microscope
US10845382B2 (en) 2016-08-22 2020-11-24 Bruker Nano, Inc. Infrared characterization of a sample using oscillating mode

Also Published As

Publication number Publication date
JP2890268B2 (en) 1999-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3192887B2 (en) Probe, scanning probe microscope using the probe, and recording / reproducing apparatus using the probe
JP3030574B2 (en) Micro-displacement information detecting probe element, scanning tunnel microscope, atomic force microscope, and information processing apparatus using the same
JP3198355B2 (en) Small displacement element, scanning tunnel microscope using the same, and information processing apparatus
US5471458A (en) Multi-probe information recording/reproducing apparatus including a probe displacement control circuit
US5506829A (en) Cantilever probe and apparatus using the same
US5107112A (en) Scanning tunnel-current-detecting device and method for detecting tunnel current and scanning tunnelling microscope and recording/reproducing device using thereof
CA2069708C (en) Probe-driving mechanism, production thereof, and apparatus and piezoelectric actuator employing the same
JPH05284765A (en) Cantilever type displacement element, cantilever type probe using the same, scan type tunnel microscope using the same probe and information processor
US5371728A (en) Information recording/reproducing apparatus using probe
JP2890268B2 (en) Probe unit, information processing apparatus using the same, and scanning tunnel microscope
JPH08212605A (en) Mechanism and method for probe position control of information processor
JP3234722B2 (en) Arc-shaped warped lever type actuator, method of driving the actuator, and information processing apparatus using information input / output probe
JP3118654B2 (en) Information processing device and scanning tunneling electron microscope
JP2942013B2 (en) Recording and / or playback device
JPH06300513A (en) Probe position control method, scanning tunnelling microscope and record reproducing device
JPH04143943A (en) Probe unit and recording erasing device, reproducing device and recording and reproducing erasing device with it
JP2934057B2 (en) Probe unit and information recording and / or reproducing apparatus using the same
JPH0875761A (en) Scanning probe microscope as well as processing apparatus using the microscope and data-processing apparatus
JP3053971B2 (en) Three-dimensional displacement element for generating tunnel current, multi-tip unit using the three-dimensional displacement element for generating tunnel current, and information processing apparatus
JP3217493B2 (en) Information recording / reproducing device
JPH07110969A (en) Face alignment method, position control mechanism and information processor with the mechanism
JP2995126B2 (en) Information processing device
JPH04129044A (en) Information read and/or input device
JPH04330653A (en) Information reproducing device and information recording/reproducing device
JP3234952B2 (en) Probe unit, scanning tunneling microscope and information processing apparatus using the same

Legal Events

Date Code Title Description
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 19990112

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080226

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090226

Year of fee payment: 10

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100226

Year of fee payment: 11

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees