JPH0495804A

JPH0495804A - カンチレバー型プローブ及びそれを用いた走査型トンネル電流検知装置、情報処理装置

Info

Publication number: JPH0495804A
Application number: JP21376590A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Yagi; 隆行八木; Hiroyasu Nose; 博康能瀬; Katsuhiko Shinjo; 克彦新庄
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-08-14
Filing date: 1990-08-14
Publication date: 1992-03-27

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（以後、ＳＴＭと称す
。）、及びその手法により情報の記録及び再生等を含む
情報の処理を行うカンチレバー（片持ばり）型プローブ
及びそれを用いた情報処理装置に関するものである。

［従来の技術］現在、ＳＴＭの手法を用いて、半導体あるいは高分子材
料等の原子オーダー、分子オーダーの観察評価、微細加
工（Ｅ、Ｅ、Ｅｈｒｉｃｈｓ。

４ｔｈ　　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　　Ｃｏｎｆｅ
ｒｅｎｃｅ　　ｏｎ　　ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｒ
ｉｎｇ　　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ／５ｐｅｃｔｏｓｃｏ
ｐｙ、　　　８９．Ｓ１３−３）、及び記録装置等の様
々な分野への応用が研究されている。

なかでも、コンピューターの計算情報や映像情報等では
大容量を有する記録装置の要求が益々高まっており、さ
らに、半導体プロセス技術の進展によりマイクロプロセ
ッサが小型化し、計算能力が向上したことから、記録装
置の小型化が望まれている。

これらの要求を満たす目的で、記録媒体との間隔を微調
整可能な駆動手段上に存在するトンネル電流発生用プロ
ーブからなる変換器から、電圧印加することによって記
録媒体表面の仕事関数を変化させ、記録書き込みし、ま
た、仕事関数の変化によるトンネル電流の変化を検知し
て、情報の読み出しを行う、最小記録面積が１０ｎｍ平
方となる記録再生装置が提案されている。

かかる装置において、情報の転送及び記録速度を向上さ
せるには、例えば、プローブの数を増やし、プローブと
媒体との間隔を調整しつつ、記録データ列上を走行させ
る必要がある。しかしながら、記録したデータ列の幅が
非常に細（、装置の温度変化によるドリフト、あるいは
外部からの振動等の影響により、プローブがデータ列か
らはずれて安定した記録再生ができなくなる。更に、つ
のプローブをデータ列に添って走査させると、他のプロ
ーブがデータ列からはずれてしまうこととなる。

［発明が解決しようとする課題］以上のような従来例の問題点に鑑み、本発明の目的とす
るところは、 ■、情報の転送速度、及び記録、再生速度の向上を図る
、 ■、表装置温度変化によるドリフト、装置への外部から
の振動伝達等の外乱が加わっても、プローブ走査が記録
媒体上のデータ列を外れることのない安定な走査を可能
とする、上記■及び■を同時に満足し得るカンチレバー型プロー
ブ及びそれを用いた情報処理装置、走査型トンネル電流
検知装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］本発明の特徴とするところは、第１に、２層の圧電体薄膜の界面及び上下面各々に、圧
電体薄膜を逆圧電効果により変位させるための分割電極
を設けてなるカンチレバー（片持ばり）状変位素子の上
面自由端部に情報入出力用プローブを設けたカンチレバ
ー型プローブにある。

第２に、前記第１に記載のカンチレバー型プローブを複
数個、記録媒体と対向配置し、該カンチレバー型プロー
ブの各々に、変位素子駆動のための駆動手段と該駆動手
段を制御する制御手段とを設け、かつ、記録媒体とプロ
ーブとの間に印加し得る情報記録用パルス電圧印加回路
を備えた情報処理装置を特徴とする。

第３に、前記第１に記載のカンチレバー型プローブを複
数個、記録媒体と対向配置し、該カンチレバー型プロー
ブの各々に、変位素子駆動のための駆動手段と該駆動手
段を制御する制御手段とを設け、かつ、記録媒体とプロ
ーブとの間に印加し得る情報再生用バイアス電圧印加回
路を備えた情報処理装置を特徴とする。

第４に、前記第１に記載のカンチレバー型プローブを複
数個、記録媒体と対向配置し、該カンチレバー型プロー
ブの各々に、変位素子駆動のための駆動手段と該駆動手
段を制御する制御手段とを設け、かつ、記録媒体とプロ
ーブとの間に印加し得る情報記録用パルス電圧印加回路
及び情報再生用バイアス電圧印加回路を備えた情報処理
装置を特徴とする。

また、該カンチレバー型プローブは第１の特徴により、
第３の再生装置と同様、走査型トンネル電流検知装置と
して適用することができる。

以上が本発明の構成要素であり、その詳細及び作用につ
いては以下の実施例にて説明する。

［実施例］以下、実施例を用いて本発明を具体的に詳述する。

〈実施例１〉本実施例で示すものは、本発明のカンチレバー（片持ば
り）型プローブである。

第１図（ａ）＋’　（ｂ）に、その−例として、圧電体
薄膜５．５°と圧電体を変位させるためのバイアス電圧
を印加する電極６１〜６６（６ケ）から構成された変位
素子の詳細を示す。本図（ａ）ははり方向の構成図であ
り、本図（ｂ）は本図（ａ）中のＡ−Ａにおける幅方向
の断面図である。ここで、カンチレバー（片持ばり）２
は、Ｓｉ　　（１００）基板１の表面より異方性エツチ
ングにて形成する。電極６１〜６６は本図（ｂ）に示す
ように片持ばりの幅方向に２組並べられて、かつ２層の
圧電体薄膜５．５°の伸縮のバランスにより片持ばりが
後述するｘ、ｚ方向に変位するよう層状に６つが配置さ
れている。

第２図は、第１図に示すカンチレバー型プローブの幅方
向の断面図であり、変位のためのバイアス電圧印加方法
の一例を示したものである。ここでは、プローブ４と情
報の記録等が行われる媒体の間隔を調整しつつ、プロー
ブ４がトラック上を振動できる様に圧電体薄膜５．５°
を伸縮させるため、圧電体駆動用の電極６１〜６６を梁
の幅方向に分割して２組並べて配置する。これらの電極
６１〜６６は、第２図に示すように駆動バイアス回路Ａ
、Ｂ、Ｃ，Ｄに配線されており、さらに駆動制御回路３
６により駆動バイアス回路のバイアス電圧が制御される
こととなる。第５図のプローブの走査経路に対するバイ
アス電圧Ａ、Ｂ、Ｃ１Ｄの時間依存の概略を第２図（ｂ
）に示す。Ｚ軸方向のプローブ４と媒体との間隔は、Ａ
　（ｔｌ−Ｂ　（ｔ）あるいはＤ　（ｔ）　−Ｃ（ｔ）
で与えられるバイアス電圧により調整される。また、Ａ
　（ｔ）　、　Ｂ　（ｔｌ　、　Ｃ（ｔ）　、　Ｄ　（
ｔ）の周波数はプローブ４の第５図の振動波形の周波数
に一致している。Ａ　（ｔ）　、　Ｂ　（ｔ）　、　Ｃ
（ｔ）Ｄ　（ｔ）の位相は１８０°ずらすこととなる。

プローブ４を振動させる際の振幅の幅はＢ　（ｔ）−Ｄ
　（ｔ）のバイアス電圧により調整される。例えば、ビ
ット径を５０人にした場合、圧電体薄膜、電極及びカン
チレバーを以下の様に設定すると、圧電体薄膜：ＺｎＯ０，３μｍ電　　　　　　　　極＝　Ａ℃　　　０．　１　　μｍ
カンチレバー長＝２００μｍカンチレバー幅：４０ｕｍプローブのＺ軸方向の変位量は±４Ｖで±２μｍ変位可
能であり、すなわちバイアス電圧Ａ　（ｔ）−Ｂ　（ｔ
）及びＤ　（ｔ）　−Ｃ（ｔ）を４Ｖ以下で適当に設定
することで一２μｍから＋２μｍの範囲でプローブと媒
体の間隔を変化させることが可能である。またＢ　（ｔ
）　−Ｄ　（ｔ）のバイアス電圧を絶対値１．５Ｖ変化
させることでビット径の５０人幅の振動を行うことがで
きる様になる。

〈実施例２〉本実施例では、本発明のカンチレバー型プローブの他の
態様を示す。

第３図（ａ）はカンチレバー型プローブの上面図であり
、本図（ｂ）はその断面図である。本実施例では、第１
図のプローブの電極をさらにカンチレバーの幅方向に２
組加えた配置となっている。

これは、第２図に示すと同様に、電極６１〜６６に駆動
バイアス電圧を加えトラッキングを行う。これにより、
第５．６図に示すようにプローブがトラック上を走査す
ることが可能となる。しかしながら、媒体の熱膨張、プ
ローブによる記録時の外部振動等により第７図に示すよ
うなトラックの変形が起こる場合がある。かかる場合、
第１．２図のプローブではＢ、Ｄの差分のみならず絶対
値を変化させ対応することとなるが、第３図のプローブ
形態を用いると、電極６１〜６６は同様に駆動させつつ
電極８１〜８６にカンチレバーの幅方向にトラックの変
形に応じたバイアス電圧を加えることで、トラック幅方
向の位置制御とトラックの変形に対する位置制御を機能
分離して行うことが可能となる。このように、カンチレ
バーの幅方向に電極の組をさらに付加することで、独立
に異なるプローブの変形を行うことができる。

独立に異なるプローブの変形を行う変位素子用の電極形
態としては、第４図に示すようにカンチレバーの長さ方
向に４組の電極配線を行うことによっても可能である。

このような電極構成をとることにより、第３図のプロー
ブと同様の効果が得られる。また、プローブと媒体との
距離に対して粗動と微動の制御を分離して行うことが可
能となる。

以上の極構成により、トラッキングを行いつつプローブ
と媒体との間隔調整を行うことが可能なカンチレバー型
プローブを提供することが可能となる。

上述両実施例で用いた圧電体膜５，５゛用材料はＺｎＯ
についてであるが、これに限らず、その他Ａ４２Ｎ、Ｔ
ｉＢａＯ，ＰｂＺｒＴｉ０ＰｂＴｉＯ等の圧電効果を有
する材料を用いても良い。

〈実施例３〉本実施例では、本発明のカンチレバー型プローブを複数
個用いた情報処理（記録再生）装置について述べる。

第８図に本装置の主要部構成及びブロック図を示す。本
図に基づいて説明すると、記録再生ヘッド１００上には
、本発明に係るカンチレバー型プローブ２が配置されて
いる（第８図ではこれらのうちの１つのみ示しである）
。これら複数のプローブ４は、−様に媒体と対向する様
に配置しである。２１は情報記録用の記録媒体、２２は
媒体とプローブとの間に電圧を印加するための下地電極
、２３は記録媒体ホルダーである。記録媒体としては、
記録媒体層からなり、前記記録媒体層はトンネル電流発
生用針から発生するトンネル電流により記録媒体表面の
形状を凸型（Ｓｔａｕｆｅｒ、Ａｐｌ　１．Ｐｈｙｓ、
Ｌｅｔｔｅｒｓ、５１（４）、２７．Ｊｕｌｙ、１９８
７．ｐ２４４参照）または凹型（Ｈｅ　ｉ　ｎｚｅ　１
ｍａｎｎ。

Ａｐｐｌ、　　Ｐｈｙｓ、　　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　　Ｖ
ｏｌ。

５３、　　Ｎｏ、　　２４．　　Ｄｅｃ、　　、　　１
９８８．　　Ｐ。

２４４７参照）に変形する事が可能な金属、半導体、酸
化物、有機薄膜、あるいは前記トンネル電流により電気
的性質が変化する有機薄膜層等よりなる。前記電気特性
が変化する有機薄膜としては、好ましくは、ラングミュ
ア・プロジェット膜よりなる（特開昭６３−１６１５５
２参照）。例えば石英ガラス基板の上に下地電極２２と
して真空蒸着法によってＣｒを５０人堆積させ、さらに
その上にＡｕを３００人同法により蒸着したものを用い
、その上にＬＢ法によって５ＯＡＺ　（スクアリリウム
−ビス−６−オクチルアズレン）を４層積層したもの等
を用いる。３０は記録すべきデータを記録に適した信号
に変調するデータ変調回路、３１はデータ変調回路で変
調された信号を記録媒体２１とプローブ４０間に電圧を
印加することで記録媒体２１上に記録するための記録電
圧印加装置である。プローブ４を記録媒体２１に所定間
隔まで近づけ、記録電圧印加装置３１によって例えば３
Ｖ、幅５０ｎｓの矩形上パルス電圧を印加すると、記録
媒体２１が特性変化を起こし電気抵抗の低い部分が生じ
る。Ｘ−Ｙステージ７を用いて、この操作をプローブ４
で記録媒体２１上で走査しながら行うことによって情報
の記録がなされる。図では示していないが、Ｘ−Ｙステ
ージ７による走査の機構としては、円筒型ピエゾアクチ
ュエータ、平行ばね、差動マイクロメーターボイスコイ
ル、インチウオーム等の制御機構を用いて行う。

３２はプローブ４と記録媒体２１との間に電圧を印加し
て両者間に流れるトンネル電流を検出する記録信号検出
回路、３３は記録信号検出回路３２の検出したトンネル
電流信号を復調するデータ復調回路である。再生時には
プローブ４と記録媒体２１とを所定間隔にし、記録電圧
より低い、例えば２００ｍＶの直流電圧をプローブ４と
記録媒体２１間に加える。この状態で記録媒体２１上の
記録データ列に沿ってプローブ４にて走査中に記録信号
検出回路３２を用いて検出されるトンネル電流信号が記
録データ信号に対応する。従って、この検出したトンネ
ル電流信号を電流電圧変換して出力してデータ復調回路
３３で復調することにより再生データ信号を得られる。

３４はプローブ高さ検出回路である。このプローブ高さ
検出回路３４は記録信号検出回路３２の検出信号を受け
、情報ビットの有無による高周波の振動成分をカットし
て残った信号を処理し、この残りの信号値が一定になる
様にプローブ４を上下動制御させるためにｘ、ｚ軸駆動
制御回路３６に命令信号を発信する。これによりプロー
ブ４と媒体２１との間隔が略一定に保たれる。

３５はトラック検出回路である。トラック検出回路３５
はプローブ４で記録媒体２１上を走査する際にプローブ
４のデータがこれに沿って記録されるべき経路、あるい
は記録されたデータ列（以下これらをトラックと称する
）からのずれを検出する回路である。

この検出の一例を示す。ｘ、ｚ軸駆動制御回路３６によ
り、トラックの形状に添って走査が行われる用にプロー
ブ４を駆動する。この際トラック内のビットの並び方向
と交差する方向にプローブ４をビットの幅以下の振幅、
且つビットの発生周波数より低い周波数で振動させる様
にする。この時のプローブ３の動きを第６図に示す。図
中１８はトラック、１９は情報ビット、２０はプローブ
４の走査経路である。ここでプローブ４がビットを通過
する時に発生するトンネル電流信号のプローブのトラッ
ク幅方向位置毎の振幅を第５図（Ａ）で示す。このよう
にプローブ４のトラック幅方向位置に応じて発生する信
号の振幅が変化するので、トラックの幅方向に振動しな
がらトラック走査するプローブ４によって検出されるト
ンネル電流信号には幅方向振動の周波数に応じた変調成
分が加わっている。ここで、この幅方向振動の中心がト
ラックの幅方向の位置４ｂ、４ｃ、４ｄにあるときの各
検出信号を第５図（Ｂ）に示す。

ここで４ａはこれらの信号が発生する時のプローブ４の
幅方向振動の振動波形、すなわち３次元駆動機構に与え
られるトラックの幅方向の制御信号波形である。第５図
（Ｂ）で４ｂ、４ｃ、４ｄに示した信号はプローブ４の
各ビット通過毎に発生する信号の集合よりなるが、個々
の信号は微小かつ大量なので図では略して包絡線でのみ
示しである。

第５図（Ｂ）に示す様に検出信号の振幅は、同図（Ａ）
に対応する符号で示した矢印の位置により、同図（Ｂ）
の信号４ｂ、４ｃ、４ｄのように包絡線が変化する。従
って、全波整流により、包絡線の信号を取り出すと同図
の信号４ｂ’４ｃ’　、４ｄ’のようになる。すなわち
、プローブ４の振動波形４ａに対してその包絡線信号は
、プローブ４が矢印４ｃ’のように小さ（なり、矢印４
ｂのように上にずれた場合は振動波形４ａに対して１８
０°位相がずれて振幅も太き（なり、矢印４ｄのように
下にずれたときは振動波形４ａに対して同位相となり振
幅も大きくなる。それゆえ、プローブ４のトラック幅方
向振動制御信号を参照信号として、全波整流した検出信
号の検波を行うと、トラックの中心からのずれ量に比例
した信号が得られる。以上の処理をトラック検出回路３
５で行い、得られた信号をフィードバック信号としてＸ
、Ｚ軸駆動制御回路３６に加えることでプローブ４をト
ラック上に保つようなフィードバック制御、すなわちト
ラッキングが可能となる。

以上の処理において、再生時のみのトラッキングを考え
る場合には、記録されている情報に対応したビットを用
いて上述トラッキングを行えば良い。

記録時のトラッキングについては、トラック内のあらか
じめ位置の分かつている複数箇所にトラッキング用にビ
ットを複数記録しておき、ここをプローブ４が通過する
時のみトラックの幅方向にプローブ４を振動させて記録
信号を検出してトラッキング及び前述の間隔検出を行い
、プローブ４がトラック内の記録領域に移動したらプロ
ーブ高さ検出回路３４とトラック検出回路３５からの指
令信号を停止させ同時にトラックの幅方向の振動を中止
させる様にすれば良い。

上述の様にトラック検出回路３５で得るデータ列の信号
によりプローブ４と媒体との間隔を調整しつつ、トラッ
キングのためにプローブが振動しながら走行するように
駆動制御回路３６にて変位素子を前述実施例のように変
位させる必要がある。

以上のデータ変調回路３０、記録電圧印加装置３１、記
録信号検出回路３２、データ復調回路３３、プローブ高
さ検出回路３４、トラック検出回路３５、Ｚ軸駆動制御
回路３６、ｘ、ｚ軸駆動制御回路３６で記録再生用回路
４０を形成する。

−例として示す第９図の記録再生ヘッド１００において
、記録再生用回路４０が記録媒体に対向する複数のプロ
ーブ及びその駆動機構それぞれに１つずつ設けられてお
り、各プローブによる記録、再生、各プローブの変位制
御（トラッキング、間隔調整等）等の要素を独立して行
っている。

上述した実施例はすべて記録再生装置であるが、記録ま
たは再生のみの装置や走査型トンネル顕微鏡を含む走査
型トンネル電流検知装置であっても、本発明が適用可能
であることは言うまでもない。

［発明の効果］以上説明したように、圧電体薄膜及びカンチレバー幅方
向に対し２組以上の電極を配置することにより、独立に
プローブと媒体の間隔調整とトラッキングを行える様に
したカンチレバー型プローブによれば、たとえ装置の温
度変化、外部からの振動、媒体の熱膨張等が発生しても
、常に全てのプローブで安定して情報の入力または読み
出しを行うことが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のカンチレバー型プローブの〜実施例
を示す構成概略図である。第２図は、本発明のカンチレバー型プローブの駆動原理
説明図である。第３図及び第４図は、本発明のカンチレバー型プローブ
の他の実施例を示す構成概略図である。第５図は、本発明の装置におけるトラッキングの説明図
である。第６図は、プローブ走査経路説明図である。第７図は、トラックが変形した際のプローブ走査経路図
である。第８図は、本発明の情報処理装置の構成概略図である。第９図は、本発明の情報処理装置に係る記録再生ヘッド
の概略図である。１・・・基板　　　　　　　２・・・カンチレバー（変
位素子）４・・・プローブ　　　　　５，５°・・・圧電体薄膜
７・・・ＸＹステージ　　　６１〜６６・・・電極８１
〜８６・・・電極　　　９１〜９６・・・電極１８・・
・トラック　　　　１９・・・情報ビット２０・・・プ
ローブ走査経路２１・・・記録媒体２２・・・下地電極
　　　　２３・・・記録媒体ホルダー３０・・・データ
変調回路　３１・・・記録電圧印加装置３２・・・記録
信号検出回路３３・・・データ復調回路３４・・・プロ
ーブ高さ検出回路３５・・・トラック検出回路３６・・・Ｘ。Ｚ軸駆動制御回路０・・・記録再生用回路５０・・・ＣＰＵ０・・・記録再生ヘラド

Claims

【特許請求の範囲】

（１）２層の圧電体薄膜の界面及び上下面各々に、圧電
体薄膜を逆圧電効果により変位させるための分割電極を
設けてなるカンチレバー（片持ばり）状変位素子の上面
自由端部に情報入出力用プローブを設けたことを特徴と
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複数個
、記録媒体と対向配置し、該カンチレバー型プローブの
各々に、変位素子駆動のための駆動手段と該駆動手段を
制御する制御手段とを設け、かつ、記録媒体とプローブ
との間に印加し得る情報記録用パルス電圧印加回路を備
えたことを特徴とする情報処理装置。
（３）請求項１記載のカンチレバー型プローブを複数個
、記録媒体と対向配置し、該カンチレバー型プローブの
各々に、変位素子駆動のための駆動手段と該駆動手段を
制御する制御手段とを設け、かつ、記録媒体とプローブ
との間に印加し得る情報再生用バイアス電圧印加回路を
備えたことを特徴とする情報処理装置。
（４）請求項１記載のカンチレバー型プローブを複数個
、記録媒体と対向配置し、該カンチレバー型プローブの
各々に、変位素子駆動のための駆動手段と該駆動手段を
制御する制御手段とを設け、かつ、記録媒体とプローブ
との間に印加し得る情報記録用パルス電圧印加回路及び
情報再生用バイアス電圧印加回路を備えたことを特徴と
する情報処理装置。
（５）前記制御手段が、記録媒体とプローブとの間に流
れるトンネル電流の検出結果に基づき、前記変位素子を
変位させるためのバイアス電圧を変化させ、その信号を
変位素子を構成する電極に与えるものであることを特徴
とする請求項２〜４いずれかに記載の情報処理装置。
（６）請求項２〜４いずれかに記載の情報処理装置の記
録媒体が、電気メモリー効果を有することを特徴とする
情報処理装置。
（７）請求項２〜４いずれかに記載の情報処理装置の記
録媒体の表面が、非導電性であることを特徴とする情報
処理装置。
（８）請求項１記載のカンチレバー型プローブを電気導
伝体に対向配置し、該カンチレバー型プローブに変位素
子駆動のための駆動手段と該駆動手段を制御する制御手
段とを設け、電気導伝体とプローブとの間に電圧を印加
し電気導伝体表面を観察することを特徴とする走査型ト
ンネル電流検知装置。