JPH0493601A - プローブユニット、該プローブユニットを備えた走査型トンネル顕微鏡及び記録・再生装置 - 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また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、該プローブユニットを備えた走
査型トンネル顕微鏡及び記録・再生装置に関するもので
ある。

［従来の技術］ 近年、メモリ材料の用途は、コンピュータ及びその関連
機器、ビデオディスク、ディジタルオーディオディスク
等のエレクトロニクス産業の中核をなすものであり、そ
の材料開発も極めて活発に進んでいる。メモリ材料に要
求される性能は用途により異なるが、一般的には、 ■高密度で記録容量が大きい、 ■記録再生の応答速度が早い、 ■消費電力が少ない、 ■生産性が高（、価格が安い、 などが上げられる。

従来までは磁性体や半導体を素材とした半導体メモリや
磁気メモリが主であったが、近年レーザー技術の進展に
ともない、有機色素、フォトポリマーなとの有機薄膜を
用いた光メモリによる安価で高密度な記録媒体が登場し
てきた。

一方、近年、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　　ｅｔａｔ、Ｐｈｙｓ、Ｒｅ
ｖ、Ｌｅｔｔ、４９．５７（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、しかも試料に電流による損傷を与えずに低電
力で観測できる利点も有し、更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）と導電性物質量に
電圧を加えてｌｎｍ程度の距離まで近ずけるとトンネル
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る。トンネル電流を一定に保つ
ように探針を走査することにより実空間の全電子雲に関
する種々の情報をも読み取ることができる。この際、面
内方向の分解能はＯ，ｌｎｍ程度である。

したがって、ＳＴＭの原理を応用すれば十分に原子オー
ダー（サブ・ナノメートル）での高密度記録再生を行な
うことが可能である。例えば、特開昭６１−８０５３６
号に開示されている記録再生装置では、電子ビーム等に
よって媒体表面に吸着した原子粒子を取り除き書き込み
を行ない、ＳＴＭによりこのデータを再生している。

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６３−１６１５５
２号公輸、特開昭６３−１６１５５３号公報］。この方
法によれば、記録のビットサイズを１０ｎｍとすれば、
１０”ｂ　ｉ　ｔ／ｃｍ”もの大容量記録再生が可能で
ある。

また、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、この為に同一基板上に作製
された特性の揃ったプローブユニットが求められている
。

例えばプローブユニット形成手法として、半導体製造プ
ロセス技術を使い、シリコンの異方性エツチングにより
マルチに配列したプローブが記載されている。（特開昭
６２−２８１１３８）更にスピンデイタイプの蒸着で形
成する方法が提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら従来例のプローブユニットは、試料面又は
記録媒体面と対向している面に形成されていることから
基板の凹凸等をさけるためプローブの高さが数μｍ以上
必要であった。このためプローブ材料に単結晶シリコン
、又は貴金属を使用する場合、製造コストが高くなると
いう問題があった。

さらに、プローブの高さが高いため剛性が小さいという
欠点があった。

そこで本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解消し、
従来に比べてプローブの高さを低（できるため製造コス
トが低（、剛性の高いプローブユニットを提供すること
にある。

又、本発明の目的は安価で剛性の高いプローブユニット
を有する走査型トンネル顕微鏡及び言己録・再生装置を
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コ本発明によれば
プローブの下部にプローブ材料と異なる材料からなる台
座を設けることにより、支持体表面からのプローブの位
置を高くすることができるため、プローブ自体の高さを
低く形成できるようにしたものである。

すなわち、本発明は、支持体とトンネル電流を検知する
プローブと、該トンネル電流を取り出す電極とを具備し
、前記プローブの下部に台座を設けたプローブユニット
、 又は、前記支持体がプローブの相対位置を制御するため
の駆動機構を有するプローブユニット、又は、前記支持
体と、トンネル電流を検知するプローブと、該トンネル
電流を取り畠す電極とを具備し、前記プローブの下部に
台座を設けてなるプローブユニットを備えたことを特徴
とする走査型トンネル顕微鏡、 又は、前記プローブユニットの支持体がプローブの相対
位置を制御するための駆動機構を有する走査型トンネル
顕微鏡、 又は、前記プローブユニットが、複数備えられている走
査型トンネル顕微鏡、 又は、前記支持体と、トンネル電流を検知するプローブ
と、該トンネル電流を取り出す電極とを具備し、前記プ
ローブの下部に台座を設けてなるプローブユニットを備
えたことを特徴とする記録・再生装置、 又は５前記プローブユニツトの支持体がプローブの相対
位置を制御するための駆動機構を有する記録・再生装置
、 又は、前記プローブユニットが、複数備えられている記
録・再生装置とするものである。

これにより、プローブ自体の高さを低（形成することが
できるため、安価で剛性の高いプローブユニットが形成
可能となった。

続いて図面に従って本発明を説明する。

第１図の１は支持体であり、該支持体１の上にプローブ
からの電流を取り出す電極２が形成されている。３は台
座であり、プローブを基板表面より高くするために設け
られており、電極２の上に形成されている。４はプロー
ブでありトンネル効果による電流を検知するため台座３
の上に形成されている。

前記支持体１としては、表面凹凸の少ない材料が好まし
く例えば＃７０５９フュージョン、溶融石英さらには表
面を研摩した＃７０５９、石英、シリコンウェハー等を
用いることができる。又、駆動機構を有する基板、例え
ばＰＬＺＴ圧電体、基板上に形成された圧電素子、さら
には静電力を用いた片持及び両持ち梁等も用いることが
できる。

次に前記電極２はプローブ４からのトンネル電流を取り
出す電極として用いるものであるから高導電性を有して
いれば良い。

次に前記台座３はプローブ４を支持体１表面より高い位
置に設置するものであるため、厚膜化が容易でかつ加工
しやすい材料が好ましい。例えばＣｕ、、Ａｊ２．Ａｇ
などが挙げられる。このような材料を用いた形成法とし
ては真空蒸着法などの従来公知の薄膜形成技術で十分で
ある。又、加工方法としては従来公知のフォトリソグラ
フィー技術を用いて加工できる。又、台座３としては絶
縁材料、例えばＳ　１０　ｘ　、　Ｐ　　Ｓ　ｚ　Ｎな
ども用いることができるが、この場合は台座３を支持体
１の上に形成したのち電極２を形成すれば良い。

次にプローブ４としてはトンネル電流を検出するための
導電性を有し、酸化しに（い材料が好ましく、例えばＡ
ｕ、Ａ、ｇ、Ｐｔ等の貴金属及び貴金属合金を用いるこ
とができる。このような材料を用いた形成方法としては
真空蒸着法などの従来公知の薄膜形成技術で十分である
。

又、加工方法としては従来公知のフォトリソグラフィー
技術で十分である。

［実施例］ 本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

［実施例１］ 第２図は本発明の実施例１のプローブユニットを説明す
るための形成工程図である。

まず板厚１．１ｍｍのガラス基板（コーニング社製＃７
０５９）を洗浄し支持体１とし、これに真空蒸着法によ
りクロムを０．１μｍ堆積し、フォトリソグラフィー技
術を用いて加工することにより、電極２を形成した。（
工程（ａ））次に台座３として銅、プローブ４として金
を真空蒸着法により各々銅５　、０　ｕ　ｍ　＋金０．
５μｍ堆積させた。（工程（ｂ）） 次にフォトリソグラフィー技術を用い、金をヨードカリ
系のエツチング液で加工し、続いて銅を塩化第二鉄系の
エツチング液で加工し台座３を形成した。（工程（Ｃ）
）尚、台座３は等方性エツチングによりメサ形状を呈し
ている。

次にフォトリソグラフィー技術を用い、金をヨードカリ
系のエツチング液で加工し、サイドエッチによりプロー
ブ４を形成して、プローブユニットを得た。（工程（ｄ
）） 次に上述した方法により作製したプローブユニットをＳ
ＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察したところ、台座３の
上部にプローブ４が形成されているのを確認した。また
プローブ４の先端曲率半径は０．０１μｍであった。ま
た本実施例のプローブユニットを使用したＳＴＭにより
炭素の安開面を観察した結果、原子レベルで鮮明に観察
することができ、本実施例のプローブユニットが十分実
用に耐えるものであることを確認できた。

次にこのプローブユニットを第５図に示す記録／再生装
置のプローブ電極２０２として用いて記録・再生実験を
行った。

第５図中、１０１は基板、１０２は金属電極層、１０３
は記録層である。２０１はＸＹステージ、２０２はプロ
ーブ電極、２０３はプローブ電極の支持体、２０４はプ
ローブ電極を２方向に駆動するリニアアクチュエータ、
２０５，２０６はＸＹステージをそれぞれＸ、Ｙ方向に
駆動するリニアアクチュエータ、２０７はパルス電圧回
路である。

３０１はプローブ電極から記録層１０３を介して電極層
１０２へ流れるトンネル電流を検出する増幅器である。

３０２はトンネル電流の変化をプローブ電極と記録層の
間隙距離に比例する値に変換するための対数圧縮器、３
０３は記録層の表面凹凸成分を抽出するための（ＩＬ域
通過フィルタである。３０４は基準電圧Ｖ’ＲＥＦと低
域通過フィルタ３０３の出力との誤差を検出する誤差増
幅器、３０５はアクチュエータ２０４を駆動するドライ
バー　である。３０６はＸＹステージの位置制御を行う
駆動回路である。３０７はデータ成分を分離する高域通
過フィルタである。

プローブ電極２０２と記録層１０３との間隙は第５図に
示された回路構成により一定に保つことができる。すな
わちプローブ電極２０２と記録層１０３０間に流れるト
ンネル電流を検出し対数圧縮器３０２、低域通過フィル
タ３０３を介した後、この値を基準電圧と比較し、この
比較値が零に近付くようにプローブ電極−２０２を支持
する２軸アクチユエータ２０４を制御することにより、
プローブ電極２０２と記録層１０３の間隙を一定にする
ことができる。

さらに、ＸＹステージ２０１を駆動することにより記録
媒体の表面をプローブ電極２０２がなぞり、０点の信号
の高域周波数成分を分離することにより記録層１０３の
データを検出できる。

２０７はプローブ電極２０２と金属電極層１０２の間に
記録／消去用のパルス電圧を印加するための回路である
。

パルス電圧を印加するときプローブ電流が急激に変化す
るためドライバー３０５は、その間出力電圧を一定にな
るように、ＨＯＬＤ回路をＯＮになるように制御してい
る。

記録媒体には金属電極層１０２としてＡｕ蒸着膜を、記
録層１０３にはポリイミドＬＢ膜４層を金属電極層１０
２上に形成したものを用いた。

以下、ポリアミドＬＢ膜を用いた記録層形成方法につい
て述べる。

（１）式に示すポリアミド酸をＮ、Ｎ’−ジメチルアセ
トアミド−ベンゼン混合溶媒（１：ＩＶ／■）に溶解さ
せた（単量体換算濃度１×１０Ｍ）後、別途調整したＮ
、Ｎ−ジメチルオクタデシルアミンの同溶媒による１、
Ｘ　１０−’Ｍ溶液とを１　：　２　（Ｖ／Ｖ）に混合
して（２）式に示すポリアミド酸オクタデシルアミン塩
溶液を調製した。

℃で１０分間加熱焼成してポリアミド酸オクタデシルア
ミン塩をイミド化しく式３）、 かかる溶液を水温２０℃の純水から成る水相上に展開し
、水面上に単分子膜を形成した。溶媒蒸発除去後、表面
圧を２５　ｍ　Ｎ　／　ｍにまで高めた。

表面圧を一定に保ちながら上述基板電極付き基板を水面
を横切る方向に速度５ｍｍ／ｍｉｎで静かに浸漬した後
、続いて５ｍｍ／ｍｉｎで静かに弓き上げて２層のＹ型
単分子累積膜を作製した。かかる操作を繰り返して４層
のポリアミド酸オクタデシルアミン塩の単分子累積膜を
形成した。次に、この基板を減圧（〜１ｍｍＨｇ）下、
３００４層のポリイミド単分子累積膜を得た。

プローブ電極２０２と記録媒体の金属電極層１０２との
間に＋１．５■の電圧を印加し、電流をモニターしなが
らプローブ電極２０２と記録層１０３表面との距離（Ｚ
）を調整した。この時、プローブ電極２０２と記録層１
０３表面との距離２を制御するためのプローブ電流■２
をｔｏ−”Ａ≧■２≧１０””Ａになるように設定した
。

次に、プローブ電極２０２を走査させながら、１００人
ピッチで情報の記録を行った。かかる情報の記録は、プ
ローブ電極２０２を＋側、金属電極層１０２を一側にし
て、電気メモリー材料（ポリイミドＬＢ膜４層）が低抵
抗状態（ＯＮ状態）に変化するしきい値電圧Ｖ　ｔ、Ｏ
Ｎ以上の矩形パルス電圧を加えた。その後、プローブ電
極２０２を記録開始点に戻し、再び記録層１０３上を走
査させた。この時、記録の読み出し時に於いてはＺ＝一
定になるように調整した。その結果、記録ビットに於い
ては１０ｎＡ程度のプローブ電流が流れ、ＯＮ状態とな
っていることが示された。

なお、プローブ電圧を電気メモリー材料がＯＮ状態から
ＯＦＦ状態に変化するしきい値電圧■。

ＯＦＦ以上のＩＯＶに設定し、再び記録位置をトレース
した結果、全ての記録状態が消去されＯＦＦ状態に遷移
したことも確認した。

［実施例２］ 第３図は本発明の実施例２のプローブユニットを説明す
るための形成工程図である。まず板厚１．１ｍｍのガラ
ス基板（コーニング社製＃７０５９）を洗浄し支持体１
とし、これに真空蒸着法によりクロムを０．１μｍ堆積
し、フォトリソグラフィー技術を用いて加工することに
より、電極２を形成した。（工程（ａ））次に台座３と
してアルミニウム、プローブ４として金を真空蒸着法に
より各々アルミニウム５．０ＬＬｍ、金０．５μｍ堆積
させた。（工程（ｂ）） 次にフォトリソグラフィー技術を用い金をヨードカリ系
のエツチング液で加工し、続いてＣＣρ４を用いたドラ
イエッチにより八ρを異方性エツチングし台座３を形成
した。（工程（Ｃ）） 次に再度金をヨードカリ系のエツチング液でサイドエッ
チさせることによりプローブ４を形成し、プローブユニ
ットを得た。（工程（ｄ））次に上述した方法により作
製したプローブユニットをＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）
で観察したところ、台座３の上部にプローブ４が形成さ
れているのを確認した。またプローブ４の先端曲率半径
は０．０１μｍであった。さらにＳＴＭ像の観察及び記
録・再生の実験を行ったところ、実施例１と同様の結果
を得た。

［実施例３］ 第４図は本発明の実施例３のプローブユニットを説明す
るための形成工程図である。まず板厚１．１ｍｍのガラ
ス基板（コーニング社製＃７０５９）を洗浄し支持体１
とし、これにスパッタ法によりシリコン酸化膜を５．０
μｍ堆積し、フォトリソグラフィー技術を用いて、フッ
酸水溶液により加工し台座３を形成した。（工程（ａ）
） 次にクロムをスパッタ法を用いて０．２μｍ堆積し、フ
ォトリソグラフィー技術により加工し電極２を形成した
。（工程（ｂ）） 次に真空蒸着法により金を０．５μｍ堆積し、フォトリ
ソグラフィー技術により、金をヨードカリ系のエツチン
グ液で加工し、サイドエッチによりプローブ４を形成し
プローブユニットを得た。

次に上述した方法により作製したプローブユニットをＳ
ＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察したところ、台座３の
上部にプローブ４が形成されているのを確認した。また
プローブ４の先端曲率半径は０．０１μｍであった。さ
らにＳＴＭ像の観察及び記録・再生の実験を行ったとこ
ろ、実施例１と同様の結果を得た。

［実施例４］ プローブユニットを圧電体素子上に形成した以外は全て
実施例１と同様にしてプローブユニットを作成、評価し
た。

前記圧電体素子は、ガラス基板（コーニング社＃’７０
５９　’）上にＲＦスパッタ法により作成したＺｎＯ薄
膜、膜厚５０μｍとした。具体的には、４電極マグネト
ロンスパッタ装置を用いＡｒ＋０、（１：１）混合ガス
、ガス圧６×１０ｔｏｒｒ、基板温度３００℃、ＲＦパ
ワー２００Ｗの条件下で成膜を行なった。得られたＺｎ
ＯはＣ軸配向膜であった。また、あらかじめガラス基板
上に設けてあった下地電極と係るＺｎＯ上に形成した上
電極とによって電界印加用の対向電極とした。

係る圧電素子上に、絶縁を目的とした５ｉＯ＝薄膜、膜
厚的１μｍをスパッタ法によって作成したのち、係る支
持体ｌ上に実施例１と同様にしてプローブユニットを作
製した。

以上のようにして作製した圧電体素子／プローブユニッ
トからなる複合素子を３７Ｍ装置に設置し、実験・観察
を行なった。この時、圧電体素子ＺｎＯ膜に印加する電
圧とプローブ／試料（グラファイトカーボン）間に流れ
るトンネル電流との関係からＺｎＯが電圧印加に対して
０．Ｏ４ｎｍ／■の割合で伸縮する事が確かめられた。

また逆に、この値は圧電体素子単体で伸縮率計測した時
とほぼ同一の値であった。このことは、圧電体素子上に
直接プローブユニットを形成することができ、かつかか
るプローブユニットの位置制御が可能となったことを示
している。

なお、本実施例ではプローブ／試料間の距離を変化させ
る方向に関して示したが、勿論、試料面と平行な方向で
の位置制御を行なうことも可能である。また、圧電体材
料もＺｎＯに限るものではな（、さらに駆動系としても
圧電体に限るものではない。例えば、誘電吸着によって
その間隙を制御された平行平板の一方上に該プローブを
形成することも容易である。駆動系原理は何等本発明を
制限するものではない。

［実施例５］ プローブユニットを多数個にした以外は全て実施例１と
同様に作成、評価した。具体的にはプローブユニットを
ピッチ２００ＬＬｍでマトリックスに配置させ、計４個
のプローブユニットを得た。また台座３の大きさはφ３
０μｍとした。

以上のように作製したマルチプローブについて実施例１
と同様な評価をしたところ、プローブの高さは±０．０
２μｍ以下にそろっており、４個のプローブユニットと
も安定な像が得られることを確認した。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によればプローブと台座を異
種材料で形成することにより、プローブの高さを低くで
きるため、剛性の向上及び製造コストの低減ができる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いられるプローブユニットの模式断
面図、第２図〜第４図は本発明の各実施例に於ける形成
工程図、第５図はＳＴＭを応用した記録・再生装置の構
成図である。 ｌ；支持体　　　　　　２：電極 ３：台座　　　　　　　４ニブローブ １０１　：基板　　　　　１０２：金属電極層１０３：
記録層　　　　２０１：ＸＹステージ２０２ニブローブ
電極　２０３；支持体２０４：Ｚ軸アクチュエータ ２０５．２０６：Ｘ、Ｙ軸アクチュエータ２０７：パル
ス電圧回路 ３０１：増幅器　　　　３０２：対数圧縮器３０３：低
域通過フィルタ ３０４：誤差増幅器　　３０５ニドライバー３０６：駆
動回路 ３ｏ７：高域通過フィルタ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）支持体と、トンネル電流を検知するプローブと、
   該トンネル電流を取り出す電極とを具備し、前記プロー
   ブの下部に台座を設けたことを特徴とするプローブユニ
   ット。
2. （２）前記支持体がプローブの相対位置を制御するため
   の駆動機構を有する請求項（１）に記載のプローブユニ
   ット。
3. （３）支持体と、トンネル電流を検知するプローブと、
   該トンネル電流を取り出す電極とを具備し、前記プロー
   ブの下部に台座を設けてなるプローブユニットを備えた
   ことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
4. （４）前記プローブユニットの支持体がプローブの相対
   位置を制御するための駆動機構を有する請求項（３）に
   記載の走査型トンネル顕微鏡。
5. （５）前記プローブユニットが、複数備えられている請
   求項（３）に記載の走査型トンネル顕微鏡。
6. （６）支持体と、トンネル電流を検知するプローブと、
   該トンネル電流を取り出す電極とを具備し、前記プロー
   ブの下部に台座を設けてなるプローブユニットを備えた
   ことを特徴とする記録・再生装置。
7. （７）前記プローブユニットの支持体がプローブの相対
   位置を制御するための駆動機構を有する請求項（６）に
   記載の記録・再生装置。
8. （８）前記プローブユニットが、複数備えられている請
   求項（６）に記載の記録・再生装置。