JPH0498102A - 積層圧電変位素子、それを用い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（ＳＴＭ）の原理を応
用して情報の記録再生を行う探針と記録媒体間の距離等
を調整する積層圧電変位素子及びそれを用いた走査型ト
ンネル顕微鏡、記録再生装置に関する。

［従来の技術］ 近年、実空間で導体表面を原子スケールの分解能で観察
できる走査型トンネル顕微鏡（以後、ＳＴＭと略す）が
開発された　［Ｇ、Ｂｉｎｎｉｇｅｔ　　ａｌ、、Ｈｅ
１ｖｅｔｉｃａ　　Ｐｈｙｓｉｃａ　　Ａｃｔａ、、５
５，７２６　（１９８２）］。

最近、その実用化が進み、国内外数社から販売が開始さ
れ、幅広い分野で手軽に使用され始めた。

かかるＳＴＭは、真空中のみならず大気中や液体中でも
動作し、その応用分野は表面粗さ計測等に始まり、半導
体・生体分子・化学反応・超微細加工等広範囲である。

特に、試料中に書き込まれた情報を高分解能で読みだす
再生装置としての応用が進められている。

また、小型で大容量の記録再生装置を提供するために、
Ｓｉ基板上に一体構成されたカンチレバー（片持ばり）
上に探針を付け、非導電体内部に電子をトラップさせて
記録する装置が提案されている。

かかる記録装置の構成は、第４図に示すように、Ｓｉ基
板上に一体構成された複数の探針４２０、カンチレバー
、カンチレバー駆動機構をもつ変換器（トランスデユー
サ）４１０と、円筒型圧電屈曲体４４０上に支持された
記録媒体４３０とを相対向させて、かつ、変換器４１０
と記録媒体４３０との間を調整する接近粗調整装置４５
０を有する基台４６０上に設置されている。

ここで、変換器１は、シリコンウェハーをマイクロメカ
ニカル技術により加工し、長さ１００μｍ、幅１０〜２
０μｍ、厚さ０．５μｍの大きさのカンチレバーを４０
０個、同一面内に形成させる。これにより、全体の大き
さは少なくとも２．４ｍｍＸ２．４ｍｍになる。そして
これを用い、記録媒体を円筒上の圧電素子に取り付け、
円運動を行わせることにより記録を再生する。このカン
チレバーの動き量（探針と記録媒体間の距離（Ｚ）、調
整量）は、１μｍ以下である。

この装置では、探針と記録媒体との接近粗調整は手動操
作によって行われている。

［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、記録媒体のうねりや傾き
、探針を支持するカンチレバーのそりに対する配慮がな
されていないため、次のような欠点があった。

（１）カンチレバーの動き量（ｌ　ＬＬｍ）を越える記
録媒体の大きな凹凸や傾き、或いは、カンチレバー作製
時に生じたそりがあった場合、探針が記録媒体に接触し
、記録あるいは再生のエラーを生じてしまう。

（２）記録媒体と探針との接触を防ぐ機構をカンチレバ
ーだけに頼っているため、外部の温度変化による熱膨張
等の影響を受は易い。

すなわち、本発明の目的とするところは、上述のような
問題点を解消できる積層圧電変位素子及びそれを用いた
走査型トンネル顕微鏡、記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］本発明の特徴と
するところは、第１に、基板上に、ストライプ状電極板
群を、同数順次直交させて多段に積層すると共に該電極
板群の交差する領域に圧電材を挟持させた積層圧電変位
素子、第２に、第１に記載の積層圧電変位素子を備えた
走査型トンネル顕微鏡、 第３に、記録再生を行うための探針と、該探針に対向し
て設けられた記録媒体と、該探針と該記録媒体の間にパ
ルス電圧を掃引する手段とを備えた記録再生装置におい
て、探針と記録媒体間の距離を調整する手段として、前
記第１に記載の積層圧電変位素子を用いた記録再生装置
、 としている点にある。

すなわち、同一面内で線状の電極を複数並べたストライ
ブ状電極群を一つの単位として、これを直交するように
多段に積層し、その際形成される各電極の交差する面内
に圧電材料を挟持させる。

かかる構成（以下、積層圧電変位素子と称す。）により
、その交点の数だけ電極材と圧電材の積層構造である圧
電バイモルフ構造が得られる。よって、かかる圧電バイ
モルフ構造の必要とする部位に逆圧電効果な生せしめれ
ば、面全体としての凹凸を調整することができることに
なる。

そこで、例えばかかる積層圧電変位素子の最上部でかつ
交差領域に、プローブ電流による情報の検知等を目的と
する探針を有したカンチレバーを設けてカンチレバー型
マルチプローブを構成した際、かかるカンチレバーに設
けた探針の先端が平面状に並んでおらず凹凸がある場合
に、その下方に位置する積層圧電変位素子に逆圧電効果
を生じさせその補正等を行うことができる。

そして、かかる構成及び作用を成すカンチレバー型マル
チプローブを記録再生装置に適用することで、記録媒体
のうねりや傾き、あるいは熱膨張等による探針と記録媒
間の距離変動を調整することが可能となる。

これにより、探針と記録媒体の接触による記録あるいは
再生のエラー解消することができる。

尚、記録再生装置において、前述のような積層圧電変位
素子を用いる場合、上記のように探針と接触させて直接
用いてもよ（、間に他の部材を介して間接的に用いても
よい。

［実施例］ 以下、実施例により本発明を具体的に詳述する。

〈実施例１〉 第１図及び第２図は、本発明の積層圧電変位素子を用い
たカンチレバー型マルチプローブの実施例を説明するた
めの斜視構成図及びその分解図である。

第１図において、１０１は基板、１００はＳ　ｉ　Ｏ２
や５ｉ３Ｎ＝等から成る絶縁層、１０２〜１２１はＰｔ
、Ｐｄ等の貴金属や導電性セラミックス系の材料から成
る電極板、２５１゜２５６．２６１．．２６６．２７１
はＰＺＴ。

ＰＭＮ、ＢＴ系の材料から成る圧電材、９７は５ｉｎ２
やＳｉ３Ｎ４等から成る絶縁体、９８はＳｉ基板上に設
けられたカンチレバー、９９は記録・再生を行うための
探針である。第２図において、２０１〜２７５はＰ’Ｚ
Ｔ、ＰＭＮ、、ＢＴ系の材料から成る圧電材である。

次に、実施例のカンチレバー型マルチプローブの作製工
程を以下に示す。先ず、５ｉｎ２膜１００を持つ厚さ１
ｍｍのＳｉ基板上に、パラジウム（ペースト状インク材
）を第２図（ａ）に示すような１本の幅１ｍｍの大きさ
（厚さ２００μｍ、長さ８ｍｍ）をもつストライプ状に
塗布して電極板１０２，１０４，１０６，１０８゜１１
０を形成した。続いて、既に公知のドクタ・ブレード法
により、圧電駆動材であるＰ’ＺＴ粉体、アセトン、Ｐ
ＶＡ有機バインダ（結合剤）。

グリセリンを混合して作製したグリーンシート（厚さ１
ｍｍ）を、第２図（ａ）に示すような所望の形状２０１
〜２２５に切断し、パラジウム電極板１０２，１０４，
１０６，１０８，１１０上に印刷した。切断して印刷し
たグリーンシート１つの大きさは、ｌｍｍＸ１ｍｍであ
った。

次に、パラジウム電極板１’０２，１０４゜１０６．１
０８，１１０と直交するように２層目のパラジウム電極
板１１２，１１４，１１６゜１１８．１２０を塗布した
。続いて、第２図（ｂ）に示すように、グリーンシート
２２６〜２５０を１層目のグリーンシート２０１〜２２
５の鉛直方向に一致するように印刷した。この後、第２
図（ｃ）、（ｄ）に示すように、３層目も同様に電極１
０３，１０５，１０７，４０９゜１１１及びグリーンシ
ート２５１〜２７５を形成した。このようにして形成さ
れた素子を、１００°Ｃの温度で加圧しながら焼結させ
、電極と圧電材の積層による積層圧電変位素子を完成さ
せた。この素子の大きさは、８ｍｍＸ８ｍｍであった。

尚、電極１０２，１０４，１０６，１０８゜１．１０と
１０３，１０５，１０７，１０９゜１１１及び電極１１
２，１１４，１１６１１８．１２０と１１３．．１１５
，１１７１．１９，１２１は、それぞれ対応した電極同
士で電気的に接続されている（第１図）。

次に、第２図（ｄ）に示すように、かかる積層圧電変位
素子の上面部で分割された圧電材２０１〜２７５の鉛直
上方に、記録再生を行う探針９９を自由端部に有したカ
ンチレバー９８を１個づつ西−置した。カンチレバー９
８は、フォトリソグラフィー技術を用いて、幅１５０μ
ｍ、長さ６００μｍの大きさに形成した。また、探針９
９は、蒸着法により、円錐形状にＷを堆積させ作製した
。

以上の工程により、第１図に示すようなカンチレバー型
マルチプローブを作製した。尚、かかる素子の逆圧電効
果による電圧−変位量は、３μｍ１５００Ｖであった。

次に、上述のカンチレバー型プローブの駆動方法を示す
。例えば、第２図（ｄ）に示す２８０の部と２７６の部
分だけを基板１０１に対して鉛直上方向に１μｍ変位さ
せたい場合、パラジウム電極板１０６．　　Ｉ　Ｑ、７
．　　ｌ　１０．．１１１をプラス側、１１６，１．１
７，１２０　１．２１をマイナス側として１５０■の電
圧を掃引し、圧電材２１３．２３８．２６３，２２５，
２５０゜２７５を変位させる。このように、変位させた
い部分を任意に選択して変位させることができる。

従って、例えば第２図の２７７．２７８゜２７９の部位
にあるカンチレバーが、作製時に他のカンチレバーに比
べて２μｍ基板１０１の方向（鉛直下方向）へ反ってし
まった場合には、パラジウム電極板１０４，１０５　１
０６　１０７１０８．１０９をプラス側、１１２，１１
３゜１１８．１１９をマイナス側として３００ｖの電圧
を掃引することにより、カンチレバーの反りを補正する
ことが可能となった。

本実施例では、圧電材を有したストライプ状電極群の層
数を３層としたが、何んらこれに限定する必要はない。

また、電極及び圧電材の分割数も本実施例に限定される
ものではない。さらに、本実施例では積層圧電変位素子
上にカンチレバーを設置したが、他のものでもよく、例
えば記録媒体を設置しうねりの補正を行ってもよい。

〈実施例２〉 本実施例では、実施例１で示したカンチレバー型プロー
ブの構成要素である圧電変位機能を有した積層圧電変位
素子を具備した配録再生装置を示す。

第３図中、１はＷを蒸着法により円錐状に堆積させたプ
ローブ電極、２はプローブ電極をＸＹＺ方向に微動させ
るｘｙｚ方向微動機構、２１は実施例１で示した積層圧
電変位素子、３はプローブ電極を２方向に粗動させるＺ
方向粗動機構である。尚、不図示だが３次元の動きをす
るカンチレバーがＸＹＺ微動機構に搭載されている。４
は記録媒体であり、マイカをへき開して得られた平滑な
基板４０の上に、Ａｕをエピタキシャル成長させた下地
電極４１、その上に電気メモリー効果を有するスクアリ
リウム−ビス−６−オクチルアズレン（以下５ＯＡＺと
略す）をＬＢ法により４層累積した記録層４２から構成
されている。また、５は記録媒体４をＸＹ力方向粗動・
プローブ電極に対してチルトさせるＸＹ方向粗動機構お
よびチルト機構である。６は配録再生装置の上位装置と
の接続を行うインターフェース、６０は記録再生装置内
の各ブロック間の相互動作の集中制御を行う制御回路、
６１は書込み読出し情報（データ）を制御回路６０から
の指示により書込んだり読出したりする書込み読出し回
路、６２はプローブ電極１と記録媒体４との間にパルス
状電圧を印加しデータを書込んだり読出し電圧を印加す
る電圧印加回路、６３はプローブ電極ｌと記録媒体４と
の間に流れる電流を増幅する電流増幅回路、６４は制御
回路６０などの指示により電流増幅回路６３や位置検出
回路６８の信号を基にプローブ電極１や記録媒体４の位
置を決定する位置決め回路、６５は位置決め回路６４か
らのサーボ信号を基にプローブ電極１や記録媒体４の位
置をサーボするサーボ回路、６６はサーボ回路６５の信
号に従いプローブ電極ｌのＺ方向を調整する２方向駆動
回路、６７はサーボ回路６５の信号に従いプローブ電極
１のｘｙｚ方向微動機構２や記録媒体４のＸＹ方向粗動
機構・チルト機構５を駆動するＸＹ方向駆動回路である
。記録媒体４はチルト機構５により傾きの補正調整がな
されており、ｘｙｚ方向微動機構２の走査範囲内で２方
向粗動機横３を駆動しないで、プローブ電極１は記録媒
体表面の記録層４２上を走査することができる。

本発明に係る装置の動作説明を行う。

先ず、プローブ電極１は記録媒体４との接触や衝突を避
けるために離れているので、Ｚ方向粗動機構３．ＸＹＺ
方向微動機構２及び積層圧電変位素子２１によって両者
を接近させる。手順はプローブ電極１と記録媒体４の下
地電極４１の間に１■の読み取り電圧を電圧印加回路６
２で印加して、２方向粗動機構３．ＸＹＺ方向微動機構
２及び積層圧電変位素子２１を駆動して、電流増幅回路
６３で検出される電流が１ｎＡになるまでプローブ電極
１を近づけることで行う。ここで、２方向粗動機横３を
保持し、プローブ電極１をＸＹＺ方向微動機構２を用い
て記録媒体４上を走査することで記録再生ができる。

記録媒体４とプローブ電極１０間の距離が、熱膨張によ
る材料の伸縮や記録媒体４のうねり或いは、記録情報に
より変化するのを位置検出回路６８により走査中常に検
知し、補正信号をサーボ回路６５．Ｚ方向駆動回路６６
、ＸＹ方向駆動回路６７から積層圧電変位素子２１．Ｘ
ＹＺ方向微動機構２に送り調整している。

この状態で読出し情報を見たところ情報は何もはいって
いなかった。更に詳しくは、プローブ電極１を走査しな
がら得られる電流増幅回路６３の出力値はプローブ電極
１と記録媒体４の下地電極４１の間に流れる電流に換算
して１ｎＡの値であった。

記録は、記録媒体４の記録領域上をプローブ電極ｌで走
査しながら書込み位置にきたら電圧印加回路６２でパル
ス状電圧（パルス高さＩＯＶ、パルス幅５０ｎｓ）を印
加して行う。このパルス状電圧は電気メモリー効果を有
する記録層４２が０ＦＦ（高抵抗）状態からＯＮ（低抵
抗）状態に変化するしきい値電圧である。書込みのタイ
ミング鉢は制御回路６００制御信号による。

再生は、プローブ電極ｌと記録媒体の下地電極４１の間
に１■の読み取り電圧を電圧印加回路６２で印加しなが
らプローブ電極１をＸＹｚ方向微動機構２を用いて記録
媒体４の記録領域上を走査して、電流増幅回路６３で電
流変化を見ることで行う。更に詳しくは、プローブ電極
ｌを走査しながら得られる電流増幅回路６３の出力値は
プローブ電極１と記録媒体４の下地電極４１の間に流れ
る電流に換算して、記録ビットの位置では電流増幅回路
６３の測定限界の１ｐＡ以下であり、その他の場所は１
ｎＡの値であった。この電流変化は書込み読出し回路６
１によって読出し情報となり、インターフェイス６を通
して上位装置へ伝えられる。読出しのタイミング等は制
御回路６０の制御信号による。

尚、記録媒体４とプローブ電極ｌの間の距離が、熱膨張
による材料の伸縮や記録媒体４のうねり或いは、記録情
報により変化するのを位置検出回路６８により走査中常
に検知し、補正信号をサーボ回路６５．Ｚ方向駆動回路
６６、ＸＹ方向駆動回路６７から積層圧電変位素子２１
．ＸＹＺ方向微動機構２に送り、調整している。

本実施例では、ＸＹＺ方向微動機構２で追従しきれない
凹凸（カンチレバーのＺ方向変位量の限界を越える凹凸
）が、部分的に存在しても実施例１で示したように、任
意の部分を変位させることができる積層圧電変位素子２
１を搭載しているため、従来のかかる素子２１を持たな
い記録再生装置に比べ、大幅にエラーが減少した。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の積層圧電変位素子及びこ
れを用いた走査型トンネル顕微鏡、記録再生装置によれ
ば、例えば探針と試料あるいは記録媒体間の距離調整手
段としてかかる素子を用いることにより、カンチレバー
作製時に生じたカンチレバーの反りの補正と、試料ある
いは記録媒体のうねりや傾き或いは、熱膨張による探針
と記録媒体の接触等を防止することが可能となり、外部
環境の変化にも強い信頼性の高い走査型トンネル顕微鏡
及び記録再生装置を提供できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の積層圧電変位素子を用いたカンチレ
バー型マルチプローブを示す構成斜示図である。 第２図は、第１図の分解斜示図である。 第３図は、本発明の第２の実施例に係る記録・再生装置
の構成図及び電気ブロック図である。 第４図は、従来例の配録装置を示す図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に、ストライプ状の電極群を、同数順次直
   交させて多段に積層すると共に該電極群の交差する領域
   に圧電材を挟持させたことを特徴とする積層圧電変位素
   子。
2. （２）請求項１に記載の積層圧電変位素子を備えたこと
   を特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
3. （３）記録再生を行うための探針と、該探針に対向して
   設けられた記録媒体と、該探針と該記録媒体の間にパル
   ス電圧を掃引する手段とを備えた記録再生装置において
   、探針と記録媒体間の距離を調整する手段として、請求
   項１記載の積層圧電変位素子を用いたことを特徴とする
   記録再生装置。