JPH0518707A - Minute displacement element and its manufacture and information processing device and tunnel current detection device using the same - Google Patents

Minute displacement element and its manufacture and information processing device and tunnel current detection device using the same

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JPH0518707A
JPH0518707A JP3195002A JP19500291A JPH0518707A JP H0518707 A JPH0518707 A JP H0518707A JP 3195002 A JP3195002 A JP 3195002A JP 19500291 A JP19500291 A JP 19500291A JP H0518707 A JPH0518707 A JP H0518707A
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JP
Japan
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displacement element
probe
substrate
thin film
micro
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Application number
JP3195002A
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Japanese (ja)
Inventor
Keisuke Yamamoto
敬介 山本
Yuji Kasanuki
有二 笠貫
Yoshio Suzuki
義勇 鈴木
Takayuki Yagi
隆行 八木
Masaru Nakayama
優 中山
Yasuhiro Shimada
康弘 島田
Osamu Takamatsu
修 高松
Yutaka Hirai
裕 平井
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To enable to maintain accuracy which does not rely on the thickness of a substrate and increase machining accuracy by providing an electrode which displaces thin film of piezoelectric body, providing a probe for inputting and outputting information at a free end on the top face of a minute displacement element, and constituting the substrate by a monocrystal crystal substrate whose main face is a vertical face for Z-axis. CONSTITUTION:Si3N4 films 2, 3 of about 200mm are formed on both faces of a crystal substrate 1 whose main face is a vertical face in the vertical direction of a probe 15. Next, patterning of square markers is done at two places of the film 3 at the rear face of the substrate 1. Then, anisotropic etching of the substrate 1 is done by using HF solution from the rear face of the substrate 1 to form a marker hole 8. ZnO is used for thin films 9, 10 of piezoelectric body, and Au is used for electrodes 11, 12, 15. Crystal membrane of the substrate 1 and Si3N4 films are etched by reactionary ionetching by use of CF4, O2 plasma to form a through hole 6 and a cantilever 7 which drives piezoelectric body. Thus, it is possible to decrease the number of processes and obtain minute displacement element which has high dimensional accuracy.

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、トンネル電流検出装置
や走査トンネル顕微鏡等に用いられる微小変位素子及び
その製造方法並びにそれを応用した大容量、高密度の情
報処理装置及びトンネル電流検出装置に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a minute displacement element used in a tunnel current detecting device, a scanning tunnel microscope and the like, a manufacturing method thereof, a large capacity and high density information processing device and a tunnel current detecting device to which the minute displacement element is applied. It is a thing.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、走査型トンネル顕微鏡(以下ST
Mと呼ぶ)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 Internat
ional Conference on Scann
ing Tunnering Microscopy/
spectroscopy,’89,S13−3),及
び記録再生装置の様々な分野への応用が研究されてい
る。
2. Description of the Related Art Currently, a scanning tunneling microscope (hereinafter referred to as ST
(Hereinafter referred to as “M”), atomic order or molecular order observation and evaluation of semiconductors or polymer materials, and microfabrication (EE Ehrichs, 4th Internet).
Ional Conference on Scann
ing Tunneling Microscopy /
Application of the recording / reproducing apparatus to various fields has been studied.

【0003】なかでも、コンピューターの計算情報等で
は大容量を有する記録装置への要求がますます高まって
おり、また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ために記録
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、記録媒体との間隔が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
化させる事により記録書き込みし、仕事関数の変化によ
るトンネル電流の変化を検知することにより情報の読み
だしを行い、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。
In particular, there is an increasing demand for a recording device having a large capacity for computer calculation information and the like, and due to the progress of semiconductor process technology, the microprocessor has become smaller and the computing power has been improved. The miniaturization of is desired. In order to meet these requirements, by changing the work function of the surface of the recording medium by applying a voltage from a converter consisting of a tunnel current generating probe that is present on a driving means that can be finely adjusted with respect to the recording medium. A recording / reproducing apparatus has been proposed in which recording / writing is performed and information is read out by detecting a change in tunnel current due to a change in work function, and a minimum recording area is 10 nm square.

【0004】かかる記録再生装置においては、半導体基
板上に、半導体プロセス技術を利用して圧電体薄膜をバ
イモルフ構成に積層したカンチレバー(片持ち梁)の上
面自由端部にトンネル電流検知用プローブを配置し、カ
ンチレバーを変位させることにより、記録媒体との間隔
を微調整する駆動手段が提案されている。
In such a recording / reproducing apparatus, a tunnel current detecting probe is arranged on a free end portion of an upper surface of a cantilever (cantilever) in which a piezoelectric thin film is laminated in a bimorph structure on a semiconductor substrate by using a semiconductor process technology. However, there has been proposed a drive means for finely adjusting the distance to the recording medium by displacing the cantilever.

【0005】このような、微小変位素子は基板上に複数
個作製することができる。また、この微小変位素子はS
TMを小型化できる,プローブの走査を高速化できるマ
ルチ化が容易になる,カンチレバーの駆動に関する電気
回路系を半導体チップ上に一体形成できるなどの多くの
利点を有している。
A plurality of such minute displacement elements can be manufactured on a substrate. Also, this small displacement element is
There are many advantages such as the miniaturization of TM, the speeding up of probe scanning, the ease of multi-processing, and the integral formation of an electric circuit system for driving the cantilever on a semiconductor chip.

【0006】半導体基板上のカンチレバーの製造方法に
関しては、加工精度が高く、容易に3次元構造体が得ら
れるシリコンの異方性エッチングを利用したカンチレバ
ーの製造方法、半導体加工技術を利用したマイクロマシ
ーニング技術(K.E.Peterson,”Sili
con as a MechanicalMateri
al”,Proceedings of the IE
EE、vol.70p420,1982)を用いて、S
i基板上に圧電体バイモルフからなるカンチレバー型の
STMプローブを形成する方法(T.R.Albrec
htetal.,”Microfabrication
of IntegratedScanning Tu
nneling Microscope”,Proce
edings of 4th Internation
al Conference on STM/STS
S10−2 July 9−14,1989)等が有名
である。
Regarding a method of manufacturing a cantilever on a semiconductor substrate, the processing accuracy is high, and a method of manufacturing a cantilever utilizing anisotropic etching of silicon that can easily obtain a three-dimensional structure, and a micromachine using semiconductor processing technology. Technology (KE Peterson, “Sili
con as a Mechanical Material
al ”, Proceedings of the IE
EE, vol. 70p420, 1982) and S
Method for forming cantilever type STM probe composed of piezoelectric bimorph on i substrate (TR Albrec
htetal. , "Microfabrication
of Integrated Scanning Tu
nnelling Microscope ”, Proce
edings of 4th International
al Conference on STM / STS
S10-2 July 9-14, 1989) and the like are famous.

【0007】例えば(C.F.Quateら、”Mic
rofabricated ofIntegrated
Scanning Tunneling Micro
scope”STM’89 Fourth Inter
nationalConference S10−2
July9−14,1989)においては、図16の如
くSi(100)基板22の裏面から異方性エッチング
により、50μm厚のSiメンブレンを作製し、そのメ
ンブレン上にカンチレバーを作製し、最後にドライエッ
チングにより、残りのSi基板を裏面からエッチングす
るものである。ここで、3はSi34膜、9,10 は圧
電体薄膜、11,12,13は電極、15はトンネル電
流を検出するためのプローブである。この方法はアルカ
リ性の異方性エッチング液への耐性のない材料をカンチ
レバーの構成材料として用いる場合、優れた方法といえ
る。
For example, (CF Quate et al., "Mic
rofabricated ofIntegrated
  Scanning Tunneling Micro
Scope "STM'89 Fourth Inter
national Conference S10-2
Jul. 9-14, 1989), as shown in FIG.
Anisotropic etching from the back surface of the Si (100) substrate 22
To produce a 50 μm thick Si membrane,
Make a cantilever on the membrane and finally dry it.
Etching the remaining Si substrate from the backside
It is something. Where 3 is Si3NFourMembrane, 9, 10 Is pressure
Electric thin film, 11, 12, 13 are electrodes, 15 is tunnel electric
It is a probe for detecting the flow. This method is
Can withstand materials that are not resistant to anisotropic anisotropic etchants
It is an excellent method when used as a constituent material of lever
It

【0008】しかし、上述の従来の微小変位素子には、
以下の如き種々の問題点がある。
However, in the above-mentioned conventional micro displacement element,
There are various problems as described below.

【0009】(1)Si基板を裏面から異方性エッチン
グして微小変位素子を作製する方法としては、基板の両
面を使ってリソグラフィーを行う必要がある。このため
に、裏と表のマスク合わせを行うことが重要である。そ
こでよくとられる方法としては、裏面から貫通穴を形成
し、これを裏と表のマーカーとして使う方法がある。こ
れは、図17(a)に示すようにSi(100)基板2
2の両面にSi34膜2、3を形成し、裏面のSi34
膜3にリソグラフィーとドライエッチングによりマーカ
ー孔となるような所望の形状をパターニングする。次
に、KOH水溶液による異方性エッチングを行う。この
際、Siのエッチングレートが(110)と(111)
面と大きく異なるので、図17(b)の如くピラミッド
状に孔が形成される。
(1) As a method of anisotropically etching a Si substrate from the back surface to manufacture a minute displacement element, it is necessary to perform lithography using both surfaces of the substrate. For this reason, it is important to align the back and front masks. Therefore, a method that is often taken is to form a through hole from the back surface and use this as a marker for the back surface and the front surface. This is the Si (100) substrate 2 as shown in FIG.
On both sides of the 2 to an Si 3 N 4 film 2, the back surface the Si 3 N 4
The film 3 is patterned by lithography and dry etching to have a desired shape to be a marker hole. Next, anisotropic etching with a KOH aqueous solution is performed. At this time, the etching rates of Si are (110) and (111)
Since it is significantly different from the surface, the holes are formed in a pyramid shape as shown in FIG.

【0010】かかる貫通孔を裏面と表面の位置合わせの
指標として使うのであるが、貫通孔を異方性エッチング
により作成するため、基板表面にできる貫通孔の大きさ
が、Si基板の厚さによって変わるという欠点を有して
いる。これは、Si(100)面とSi(111)等価
面とのなす角度が54.7°であることによるものであ
る。このため、例えばSi基板の厚さ精度が±10μm
のとき、異方性エッチングを行うと、表面にできる開口
部の1辺の長さ精度は±14μmになる。このため、両
面の位置合わせの加工精度がおちるという問題があっ
た。
The through hole is used as an index for aligning the back surface and the front surface. Since the through hole is formed by anisotropic etching, the size of the through hole formed on the substrate surface depends on the thickness of the Si substrate. It has the drawback of changing. This is because the angle formed by the Si (100) plane and the Si (111) equivalent plane is 54.7 °. Therefore, for example, the thickness accuracy of the Si substrate is ± 10 μm.
At this time, if anisotropic etching is performed, the length accuracy of one side of the opening formed on the surface becomes ± 14 μm. For this reason, there is a problem that the processing accuracy of the alignment on both sides is reduced.

【0011】(2)従来、微小変位素子においては、図
18の如くスパッタリング法や真空蒸着法によって容易
に成膜できるZnOを圧電薄膜として用い、またAlを
電極として用いている。一般的に電極としてAlを用い
る場合、Al上のZnOの配向性が悪く拡散してしまう
ことが知られており、配向性、絶縁性を向上させるた
め、図19の如くAlとZnO間にSiO2膜を設けて
いる。しかしこのプロセスにおいては4層のSiO2
が必要であるためプロセス工程数が多いという欠点と、
ZnOへの実効電圧が下がり、印加電圧に対し変位量が
下がるという欠点があった。
(2) Conventionally, in the micro displacement element, ZnO, which can be easily formed by the sputtering method or the vacuum evaporation method, is used as the piezoelectric thin film, and Al is used as the electrode, as shown in FIG. In general, when Al is used as an electrode, it is known that ZnO on Al has a poor orientation and diffuses. To improve orientation and insulation, SiO is formed between Al and ZnO as shown in FIG. Two films are provided. However, in this process, since four SiO 2 layers are required, the number of process steps is large.
There is a drawback that the effective voltage to ZnO is reduced and the displacement amount is reduced with respect to the applied voltage.

【0012】(3)前述の如く、微小変位素子には圧電
体薄膜として従来ZnOが多く用いられている。
(3) As mentioned above, ZnO is often used as the piezoelectric thin film in the small displacement element.

【0013】かかる微小変位素子においてはSiの異方
性エッチング等のプロセスが必要なので、NaOH,K
OH等の強アルカリ液の苛酷なエッチング条件が必要で
あるが、ZnOは苛酷なエッチング液に耐えられないた
め、ZnO膜をエッチング液から保護するための保護層
を設けたり、ZnO膜を直接エッチング液にさらさない
ようにSi基板の裏面からエッチングしなければならな
かった。
Since such a minute displacement element requires a process such as anisotropic etching of Si, NaOH, K
Although harsh etching conditions of a strong alkaline solution such as OH are required, ZnO cannot withstand the harsh etching solution, so a protective layer is provided to protect the ZnO film from the etching solution, or the ZnO film is directly etched. The back surface of the Si substrate had to be etched so as not to be exposed to the liquid.

【0014】さらに、ZnO膜のエッチング工程及び保
護層のエッチング工程も多数回行われていた。このた
め、作製プロセス自体も複雑になり工程数が多くなりコ
スト的にも高くつく。また、電気特性(圧電特性)にお
いてもZnOは耐圧が低いために変位電圧を大きくする
ことができなかった。
Further, the etching process of the ZnO film and the etching process of the protective layer have been performed many times. Therefore, the manufacturing process itself becomes complicated, the number of steps is increased, and the cost is increased. Also, in terms of electrical characteristics (piezoelectric characteristics), since ZnO has a low breakdown voltage, the displacement voltage cannot be increased.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来例の
問題点を鑑み、本発明の第一の目的は、基板の厚みに
よらない精度を保つ。加工精度を高める。
In view of the problems of the conventional example as described above, the first object of the present invention is to maintain the accuracy independent of the thickness of the substrate. Increase processing accuracy.

【0016】上記及びを同時に満足し得る微小変位
素子を提供することである。
It is an object of the present invention to provide a minute displacement element that can satisfy both the above and the above.

【0017】次に、本発明の第二の目的は、ZnOを圧
電体として用いたバイモルフの電極材料として、Zn
Oの配向性が良い。ZnOへの実効電圧が大きい。
作製プロセスが簡単である。
Next, a second object of the present invention is to use ZnO as a bimorph electrode material using ZnO as a piezoelectric material.
The orientation of O is good. The effective voltage to ZnO is large.
The manufacturing process is simple.

【0018】以上〜を同時に満足し得る電極材料を
用いたZnOバイモルフ駆動の微小変位素子を提供する
ことである。
It is another object of the present invention to provide a ZnO bimorph-driven micro-displacement element using an electrode material which can satisfy all of the above requirements.

【0019】また、本発明の第三の目的は、電気特性
を向上させる。プロセス工程を簡略化する。
A third object of the present invention is to improve electric characteristics. Simplify process steps.

【0020】以上のことにより安定な微小変位素子及び
その製造方法を提供することである。
The above is to provide a stable small displacement element and a method for manufacturing the same.

【0021】更には、以上の微小変位素子を用いた情報
処理装置及びトンネル電流検出装置を提供することにあ
る。
Another object of the present invention is to provide an information processing device and a tunnel current detecting device using the above minute displacement element.

【0022】[0022]

【課題を解決するための手段】すなわち、上記第一の目
的を達成すべく成された本発明は、第1に基板上に、少
なくとも圧電体薄膜及び該圧電体薄膜を圧電逆効果によ
り変位させるための電極を有する微小変位素子であっ
て、該微小変位素子の上面自由端部に情報入出力用プロ
ーブを設けた微小変位素子において、該基板がZ軸(プ
ローブの垂直方向)に垂直な面を主面とする単結晶水晶
基板であることを特徴とする微小変位素子にある。
That is, according to the present invention, which has been accomplished to achieve the first object, firstly, at least a piezoelectric thin film and the piezoelectric thin film are displaced on a substrate by a piezoelectric inverse effect. A micro-displacement element having an electrode for use in the micro-displacement element, in which a probe for information input / output is provided at a free end portion of an upper surface of the micro-displacement element, a surface of the substrate perpendicular to the Z axis (direction perpendicular to the probe). A micro-displacement element characterized by being a single crystal quartz substrate whose main surface is.

【0023】第二の目的を達成すべくなされた本発明
は、第2に少なくとも、2層の圧電体薄膜と該圧電体薄
膜を逆圧電効果により変位させるための電極とを有する
カンチレバー(片持ちばり)状変位素子の上面自由端部
に、情報入出力用プローブをもうけた微小変位素子にお
いて、圧電体薄膜がZnOよりなり、かつ電極と圧電体
薄膜との接合面すべてがAuあるいはAu合金よりなる
ことを特徴とする微小変位素子にある。
The present invention, which has been made to achieve the second object, secondly provides a cantilever (cantilever) having at least two layers of piezoelectric thin films and electrodes for displacing the piezoelectric thin films by an inverse piezoelectric effect. In a micro displacement element in which a probe for information input / output is provided at the free end of the upper surface of a (burr) -shaped displacement element, the piezoelectric thin film is made of ZnO, and the entire bonding surface between the electrode and the piezoelectric thin film is made of Au or Au alloy. The micro-displacement element is characterized in that

【0024】微小変位素子においては、電極に用いられ
るAuあるいはAu合金薄膜が(111)面に配向し、
その配向性を示すX線ロッキングカーブの分散角が5°
以内であることが好ましい。
In the micro-displacement element, the Au or Au alloy thin film used for the electrodes is oriented in the (111) plane,
The dispersion angle of the X-ray rocking curve showing the orientation is 5 °
It is preferably within the range.

【0025】第三の目的を達成すべくなされた本発明
は、第3にSi基板上に少なくとも圧電体薄膜と該圧電
体薄膜を逆圧電効果により変位させるための電極を有
し、かつ、該電極がSiの異方性エッチングにより作製
される微小変位素子において、圧電体薄膜が酸化タンタ
ルであることを特徴とする微小変位素子にある。
The present invention made to achieve the third object, thirdly, has at least a piezoelectric thin film on an Si substrate and an electrode for displacing the piezoelectric thin film by an inverse piezoelectric effect, and A micro-displacement element whose electrodes are produced by anisotropic etching of Si is characterized in that the piezoelectric thin film is tantalum oxide.

【0026】また、第4に異方性エッチングにおいて、
酸化タンタルとSiのエッチングの速度差を利用して、
同時に、酸化タンタルとSiをエッチングすることを特
徴とする微小変位素子の製造方法にある。
Fourthly, in anisotropic etching,
Utilizing the difference in etching rate between tantalum oxide and Si,
At the same time, it is a method of manufacturing a micro displacement element, which is characterized by etching tantalum oxide and Si.

【0027】更には、以上第1〜第3の構成よりなる微
小変位素子を用いた情報処理装置、トンネル電流検出装
置として、第5に、微小変位素子を記録媒体と対向配置
し、該微小変位素子に微小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うる情報処理用バイアス
電圧印加回路を具備したことを特徴とする情報処理装置
にある。
Further, as an information processing device and a tunnel current detecting device using the minute displacement element having the above-mentioned first to third configurations, fifthly, the minute displacement element is arranged so as to face the recording medium, and the minute displacement is performed. The element is provided with a driving means for driving the minute displacement element and a control means for controlling the driving means, and further comprises an information processing bias voltage applying circuit which can be applied between the recording medium and the probe. Information processing device.

【0028】第6に、微小変位素子を複数個、記録媒体
と対向配置し、該微小変位素子の各々に、微小変位素子
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う
る情報処理用バイアス電圧印加回路を備えた情報処理装
置にある。
Sixth, a plurality of minute displacement elements are arranged so as to face the recording medium, and each of the minute displacement elements is provided with driving means for driving the minute displacement element and control means for controlling the driving means. In addition, the information processing apparatus includes an information processing bias voltage applying circuit that can be applied between the recording medium and the probe.

【0029】本発明の情報処理装置における制御手段
は、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、前記微小変位素子を変位させるため
のバイアス電圧を変化させ、その信号を微小変位素子を
構成する電極に与える手段であることが好ましい。
The control means in the information processing apparatus of the present invention changes the bias voltage for displacing the minute displacement element based on the detection result of the tunnel current flowing between the recording medium and the probe, and minutely changes the signal thereof. It is preferable that the means is a means for applying the electrodes to the displacement element.

【0030】また、本発明の情報処理装置における記録
媒体は、電気メモリー効果を有する、或いは、その表面
が非導電性であることが好ましい。
The recording medium in the information processing apparatus of the present invention preferably has an electric memory effect or has a non-conductive surface.

【0031】第7に、微小変位素子を電気導電体に対向
配置し、該微小変位素子に微小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を設け、電気導
電体とプローブとの間に電圧を印加し、トンネル電流の
検出結果に基づき、電気導電体表面の情報を出力するト
ンネル電流検出装置にある。
Seventh, the minute displacement element is arranged so as to face the electric conductor, and the minute displacement element is provided with driving means for driving the minute displacement element and control means for controlling the driving means, and the electric conductor and the probe. There is a tunnel current detecting device that outputs a data on the surface of the electric conductor on the basis of the detection result of the tunnel current by applying a voltage between and.

【0032】以上が本発明の基本構成であり、その詳細
および作用については以下の実施例にて説明を行なう。
The above is the basic configuration of the present invention, and the details and operation thereof will be described in the following embodiments.

【0033】[0033]

【実施例】以下、実施例を用いて本発明を具体的に詳述
する。
EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples.

【0034】実施例1 本実施例で示すものは前記第1の構成よりなる微小変位
素子である。
Example 1 This example shows a micro-displacement element having the first structure.

【0035】図1に本発明の微小変位素子の1部分の斜
視図を示す。さらに図2はその概略工程のA−A断面図
である。まずZ軸に垂直な面を主面とする両面研磨した
水晶基板(Z−cut)1(厚さ500μm)の両面に
LPCVD法により、Si34膜2、3を200nm程
度成膜する。次に水晶基板1裏面のSi34膜3の2ヵ
所に正方形のマーカーをパターニングする。パターニン
グはポジ型レジストAZ1370(ヘキスト社製)を用
い、反応性イオンエッチング法(RIE法)で、CF4
ガスにてSi34膜3をエッチングした。その後図2
(a)の如く、HF水溶液(10mol/l)で、室温
にて水晶基板1の異方性エッチングを水晶基板1の裏面
からおこない、マーカー孔8を形成した。水晶基板1の
異方性エッチングは、Z軸面とX,Y軸面とでエッチン
グレートが大きく異なる。このためZ軸とX,Y軸との
成す角度が90°なので、水晶基板1の厚さが変わって
もその精度はおちない。
FIG. 1 shows a perspective view of a portion of the micro displacement element of the present invention. Further, FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA of the schematic process. First, the Si 3 N 4 films 2 and 3 are formed to a thickness of about 200 nm by LPCVD on both surfaces of a quartz substrate (Z-cut) 1 (thickness 500 μm) whose both surfaces are perpendicular to the Z axis. Next, square markers are patterned at two places on the Si 3 N 4 film 3 on the back surface of the quartz substrate 1. For patterning, a positive resist AZ1370 (made by Hoechst) is used, and CF 4 is formed by a reactive ion etching method (RIE method).
The Si 3 N 4 film 3 was etched with gas. Then Figure 2
As shown in (a), the marker substrate 8 was formed by anisotropically etching the quartz substrate 1 from the back surface of the quartz substrate 1 at room temperature with an HF aqueous solution (10 mol / l). In anisotropic etching of the quartz substrate 1, the etching rates are greatly different between the Z-axis surface and the X- and Y-axis surfaces. Therefore, since the angle formed by the Z axis and the X and Y axes is 90 °, the accuracy is not deteriorated even if the thickness of the crystal substrate 1 changes.

【0036】その後図2(b)の如く、マーカー孔8を
マーカーとして水晶基板1表面のSi34膜2を将来カ
ンチレバー7が形成されるようにパターニングした。そ
の後、再度HF水溶液にて水晶基板1の異方性エッチン
グを行い、表面までの厚さを20μm残した。
Thereafter, as shown in FIG. 2B, the Si 3 N 4 film 2 on the surface of the quartz substrate 1 was patterned so that the cantilever 7 would be formed in the future by using the marker hole 8 as a marker. Then, the quartz substrate 1 was anisotropically etched again with an HF aqueous solution to leave a thickness of 20 μm to the surface.

【0037】次に図2(c)の如く、圧電体の駆動部で
ある2層の圧電体薄膜9、10と3層の電極11、1
2、13を形成する。圧電体薄膜9、10には、ZnO
を用いた。電極11、12、13にはAuを用いた。圧
電体薄膜9、10はスパッタリング法により成膜し、酢
酸水溶液にてウェットエッチングを行いパターンを形成
する。Auは抵抗加熱法により蒸着を行い、ヨウ素とヨ
ウ化カリウムの水溶液にて、ウェットエッチングを行い
パターンを形成する。さらに絶縁体層14と情報処理用
プローブ15(以下プローブと言う)及びその取り出し
電極16を形成する。絶縁体層14には、アモルファス
のSi34膜を用いCVD法にて200nm程度形成
し、RIE装置によるドライエッチングでパターン形成
したものを使用する。取り出し電極16にはAuを成膜
し、パターン形成したものを使用する。プローブ15
は、Wをスパッタ法により成膜し、プローブ部分のフォ
トレジストを円形に残して、ヨウ素とヨウ化カリウムの
水溶液による等方的エッチングにより形成する。
Next, as shown in FIG. 2C, two layers of piezoelectric thin films 9, 10 and three layers of electrodes 11, 1 which are driving parts of the piezoelectric body.
2 and 13 are formed. ZnO is used for the piezoelectric thin films 9 and 10.
Was used. Au was used for the electrodes 11, 12, and 13. The piezoelectric thin films 9 and 10 are formed by a sputtering method and wet-etched with an acetic acid aqueous solution to form a pattern. Au is vapor-deposited by a resistance heating method and wet-etched with an aqueous solution of iodine and potassium iodide to form a pattern. Further, the insulator layer 14, the information processing probe 15 (hereinafter referred to as a probe) and the extraction electrode 16 thereof are formed. As the insulator layer 14, an amorphous Si 3 N 4 film having a thickness of about 200 nm formed by a CVD method and patterned by dry etching using an RIE apparatus is used. The extraction electrode 16 is formed by forming a pattern of Au and using it. Probe 15
Is formed by isotropic etching using an aqueous solution of iodine and potassium iodide while forming a film of W by a sputtering method and leaving the photoresist of the probe portion in a circular shape.

【0038】最後に図2(d)の如く、CF4,O2プラ
ズマを用いた反応性イオネッチング(RIE法)によ
り、水晶基板1の裏面から20μm残った水晶のメンブ
レンおよび残ったSi34膜をエッチングし、貫通穴6
を形成するとともに(なお、貫通穴の面は水晶のX軸等
価面4とY軸等価面5である。)、圧電体駆動のカンチ
レバー7を形成した。
Finally, as shown in FIG. 2 (d), by the reactive ion etching (RIE method) using CF 4 and O 2 plasma, the quartz membrane remaining 20 μm from the back surface of the quartz substrate 1 and the remaining Si 3 N 4 were used. Etching the film, through hole 6
(The surface of the through hole is the X-axis equivalent surface 4 and the Y-axis equivalent surface 5 of quartz.) And the piezoelectric body-driven cantilever 7 was formed.

【0039】なお、水晶基板1のエッチング液は代表的
には、HF水溶液が用いられるが、水晶基板1の結晶方
位により、エッチングレートが大きく異なる水溶液(例
えば、NH4F,NH4NH2等)であれば、同様に適用
できる。
An HF aqueous solution is typically used as an etching solution for the quartz substrate 1, but an aqueous solution having an etching rate greatly different depending on the crystal orientation of the quartz substrate 1 (for example, NH 4 F, NH 4 NH 2 etc.). ), The same applies.

【0040】また、本実施例においては、水晶基板1の
表面層および裏面層の材料としてはSi34を用いた
が、水晶と選択的にエッチング可能であれば他の材料で
も良い。
Further, in this embodiment, Si 3 N 4 was used as the material of the front surface layer and the back surface layer of the quartz substrate 1, but other materials may be used as long as they can be selectively etched with quartz.

【0041】実施例2 本実施例では、第1の構成よりなる微小変位素子の他の
態様を示す。
Embodiment 2 In this embodiment, another mode of the minute displacement element having the first structure is shown.

【0042】図3は、本実施例の微小変位素子の概略工
程の断面図である。実施例1と同様な工程であるが、違
いは本実施例においては、マーカー孔を作製する工程が
無いことと、異方性エッチングの工程を最後に行う点の
2点である。
FIG. 3 is a sectional view of a schematic process of the micro displacement element of this embodiment. The process is the same as that of the first embodiment, but there are two differences in the present embodiment: there is no step of forming the marker hole and that the anisotropic etching step is performed last.

【0043】まず図3(a)の如く、裏面層3に直接パ
ターニングしたマーカー17を形成しておく。水晶基板
1は透明であるので、裏面のマーカー17が透過して見
える像を表面のマーカーとして、裏と表の位置あわせの
指標とすることができる。しかし、位置あわせをおこな
う点において、マスクと水晶基板1の厚さの距離が焦点
がずれるので、使用するアライナーの焦点深度の問題が
あるが、できるだけ焦点深度が深いほうが精度の高い位
置あわせが行える。この位置あわせにより、図3(b)
の如く、実施例1と同様に将来カンチレバーが形成され
るように表面層2のパターニングを行った。次に実施例
1と同様の工程でカンチレバーおよびプローブを形成し
た。最後に裏面から水晶の異方性エッチングを行い、貫
通穴を形成した。
First, as shown in FIG. 3A, directly patterned marker 17 is formed on the back surface layer 3. Since the quartz substrate 1 is transparent, the image seen through the marker 17 on the back surface can be used as a marker on the front surface and can be used as an index for aligning the back surface and the front surface. However, at the point of alignment, the thickness distance between the mask and the quartz substrate 1 is out of focus, so there is a problem of the depth of focus of the aligner used. However, the deeper the depth of focus, the more accurate alignment can be performed. . By this alignment, Fig. 3 (b)
As described above, the surface layer 2 was patterned so that a cantilever was formed in the future as in Example 1. Next, a cantilever and a probe were formed in the same process as in Example 1. Finally, anisotropic etching of the crystal was performed from the back surface to form a through hole.

【0044】以上の方法により、工程数を大幅に減らす
ことができ、かつ寸法精度の高い微小変位素子が得られ
た。
By the above method, the number of steps can be greatly reduced, and the minute displacement element having high dimensional accuracy can be obtained.

【0045】実施例3 本実施例では、第1の構成よりなる微小変位素子を用い
て情報の記録、再生等を行う情報処理装置について述べ
る。本発明の情報処理装置の情報の記録再生における模
式図の1例を図4に示す。図4(a)では、基板20上
に、導電性有機材料からなる導電体薄膜19を形成した
後、有機材料からなる記録層18を積層して記録媒体と
している。本発明では図4(b)の如く、この記録媒体
に、本発明の微小変位素子に取り付けたプローブ15を
接触させることにより、記録媒体の表面形状を変化させ
て記録ビット21を形成し、情報の記録を行っている。
また、このプローブ15を記録媒体表面上に走査させる
ことにより、トンネル電流を利用して表面形状の変化す
なわち記録ビット21を読みだして情報の再生をおこな
っている。本発明で用いる記録層18の材料としては、
有機化合物であれば何を用いてもかまわない。また、そ
の成膜方法として、蒸着法、スパッタ法あるいはプラズ
マ重合法、電解重合法等を用いることが可能である。
Embodiment 3 In this embodiment, an information processing apparatus for recording and reproducing information using the minute displacement element having the first structure will be described. FIG. 4 shows an example of a schematic diagram in recording and reproducing information of the information processing apparatus of the present invention. In FIG. 4A, after forming a conductor thin film 19 made of a conductive organic material on a substrate 20, a recording layer 18 made of an organic material is laminated to form a recording medium. In the present invention, as shown in FIG. 4B, the surface shape of the recording medium is changed by bringing the recording medium into contact with the probe 15 attached to the minute displacement element of the present invention to form the recording bit 21. Is recording.
By scanning the surface of the recording medium with the probe 15, the tunnel current is utilized to change the surface shape, that is, the recording bit 21 is read out to reproduce the information. As the material of the recording layer 18 used in the present invention,
Any organic compound may be used. Further, as the film forming method, a vapor deposition method, a sputtering method, a plasma polymerization method, an electrolytic polymerization method, or the like can be used.

【0046】また、記録層18の材料として、LB法に
より単分子膜または単分子累積膜を形成することのでき
る有機材料も好適である。
Further, as the material of the recording layer 18, an organic material capable of forming a monomolecular film or a monomolecular cumulative film by the LB method is also suitable.

【0047】このLB法によれば、1分子中に疎水性部
位と親水性部位とを有する有機化合物の単分子膜又はそ
の累積膜を基板20上に容易に形成することができ、分
子オーダーの厚みを有し、かつ大面積にわたって均一、
均質な有機超薄膜を安定に供給することができるため、
本発明のような高密度な情報処理を行うためには、記録
層18の欠陥や記録層18表面の凹凸を少なくしなけれ
ばならず、この点からLB法は記録層18形成に非常に
適している。
According to this LB method, a monomolecular film of an organic compound having a hydrophobic site and a hydrophilic site in one molecule or a cumulative film thereof can be easily formed on the substrate 20, and the monomolecular film can be formed in a molecular order. Has thickness and is uniform over a large area,
Since it is possible to stably supply a homogeneous organic ultra-thin film,
In order to perform high-density information processing as in the present invention, it is necessary to reduce defects in the recording layer 18 and irregularities on the surface of the recording layer 18. From this point, the LB method is very suitable for forming the recording layer 18. ing.

【0048】LB法は分子内に親水性部位と疎水性部位
とを有する構造の分子において、両者のバランス(両親
媒性のバランス)が適度に保たれているとき、分子は水
面上で親水性基を下に向けて単分子の層になることを利
用して単分子膜、またはその累積膜を作製する方法であ
る。
In the LB method, in a molecule having a structure having a hydrophilic site and a hydrophobic site in the molecule, when the balance between them (the amphipathic balance) is appropriately maintained, the molecule is hydrophilic on the water surface. This is a method for producing a monomolecular film or a cumulative film thereof by utilizing the fact that the base is turned downward to form a monomolecular layer.

【0049】疎水性部位を構成する基としては、一般に
広く知られている飽和及び不飽和炭化水素基や縮合多環
芳香族基及び、鎖状多環フェニル基等の各種疎水基が挙
げられる。これらは各々単独又はその複数が組み合わさ
れて疎水性部位を構成する。一方、親水性部位の構成要
素として最も代表的なものは、たとえばカルボキシル
基、エステル基、酸アミド基、イミド基、ヒドロキシル
基、さらには、アミノ基(1、2、3級及び4級)等の
親水性基等が挙げられる。これらも各々単独又はその複
数が組み合わされて上記分子の親水性部位を構成する。
Examples of the group constituting the hydrophobic moiety include various well-known saturated and unsaturated hydrocarbon groups, condensed polycyclic aromatic groups, and various hydrophobic groups such as chain polycyclic phenyl groups. Each of these may be used alone or in combination to form a hydrophobic site. On the other hand, the most representative components of the hydrophilic moiety are, for example, a carboxyl group, an ester group, an acid amide group, an imide group, a hydroxyl group, and further an amino group (1, 2, 3 and 4). And hydrophilic groups thereof. Each of these alone or in combination of a plurality thereof constitutes a hydrophilic part of the molecule.

【0050】これらの疎水性基と親水性基をバランス良
く併有している有機分子であれば、水面上で単分子膜を
形成することが可能であり、本発明に対して極めて好適
な材料になる。
Organic molecules having these hydrophobic groups and hydrophilic groups in a well-balanced manner can form a monomolecular film on the surface of water, and are extremely suitable materials for the present invention. become.

【0051】また、導電体薄膜19の材料も高い導電性
を有するものであればよく、例えばAu,Pt,Ag,
Pd,Al,In,Sn,Pb,W等の金属やこれらの
合金、さらにはグラファイトやシリサイド,ITOなど
の導電性酸化物を始めとして数多くの材料が挙げられ、
これらの本発明への適用が考えられる。係る材料を用い
た薄膜形成法としても従来公知の薄膜技術で十分であ
る。但し、導電体薄膜19も記録媒体の1部として働く
ため、欠陥が少なく表面の平滑性がよい薄膜を形成でき
る材料及び、薄膜形成法が選択される。尚、導電体薄膜
19の膜厚は記録層18の材料及び膜厚にもよるが、安
定な情報処理を行うためには、10〜50nm程度であ
ることが好ましい。
The material of the conductor thin film 19 may be any material having high conductivity, such as Au, Pt, Ag,
There are many materials such as metals such as Pd, Al, In, Sn, Pb, and W, alloys thereof, and conductive oxides such as graphite, silicide, and ITO.
Application of these to the present invention is conceivable. As a thin film forming method using such a material, a conventionally known thin film technique is sufficient. However, since the conductor thin film 19 also functions as a part of the recording medium, a material and a thin film forming method that can form a thin film with few defects and good surface smoothness are selected. The film thickness of the conductor thin film 19 depends on the material and film thickness of the recording layer 18, but is preferably about 10 to 50 nm for stable information processing.

【0052】次に、本発明の情報処理装置を図5のブロ
ック図を用いて説明する。図5中、15は記録媒体に接
触して記録を行ったり、トンネル電流を検知して記録ビ
ットを読み出すためのプローブであり、23は本実施例
1で用いた微小変位素子の模式図である。この微小変位
素子において、25は圧電効果にて駆動することができ
るZ方向微動制御機構であり、24は静電型アクチュエ
ーターにより駆動できるY方向微動制御機構である。こ
の微小変位素子23の駆動によりプローブ15から記録
媒体にアクセスすることによって情報処理を行う。対象
となる記録媒体は、XYステージ30上に設置される。
28はバイアス電圧源及び、プローブ電流増幅器で、2
7はプローブ電流を読み取り、プローブ15の高さが一
定になるように圧電体にかける電圧を制御する再生用サ
ーボ回路である。29は記録用電圧源及びサーボ回路で
ある。29から記録用の電圧がZ方向微動制御機構25
に出力され、プローブ15を上下させて記録媒体に接触
して記録を行うようになっている。但し、この時プロー
ブ電流をモニターして、急激な電流増加、すなわちプロ
ーブ15と導電体薄膜層19の接触を検知し、その後の
記録層18とプローブ15の接触量を制御するようにサ
ーボ回路を設け、記録用の印加電圧を調整できるように
なっている。また、情報の記録時の接触量(Z方向押し
込み量)は、記録層18と導電体薄膜層19の膜厚及び
希望する記録ビットの大きさによるが、数nm〜500
nm程度が好ましい。
Next, the information processing apparatus of the present invention will be described with reference to the block diagram of FIG. In FIG. 5, reference numeral 15 is a probe for contacting a recording medium to perform recording, or detecting a tunnel current to read out a recording bit, and 23 is a schematic view of the minute displacement element used in the first embodiment. . In this minute displacement element, 25 is a Z-direction fine movement control mechanism that can be driven by a piezoelectric effect, and 24 is a Y-direction fine movement control mechanism that can be driven by an electrostatic actuator. Information processing is performed by accessing the recording medium from the probe 15 by driving the minute displacement element 23. The target recording medium is installed on the XY stage 30.
28 is a bias voltage source and a probe current amplifier.
Reference numeral 7 denotes a reproducing servo circuit that reads the probe current and controls the voltage applied to the piezoelectric body so that the height of the probe 15 becomes constant. Reference numeral 29 is a recording voltage source and a servo circuit. The recording voltage from 29 is the Z direction fine movement control mechanism 25.
The probe 15 is moved up and down to contact the recording medium to perform recording. However, at this time, the probe current is monitored to detect a sudden current increase, that is, the contact between the probe 15 and the conductor thin film layer 19, and the servo circuit is controlled so as to control the contact amount between the recording layer 18 and the probe 15 thereafter. It is provided so that the applied voltage for recording can be adjusted. The contact amount (Z-direction indentation amount) at the time of recording information depends on the film thickness of the recording layer 18 and the conductor thin film layer 19 and the desired recording bit size, but is several nm to 500 nm.
About nm is preferable.

【0053】尚、情報の記録時にプローブ15と導電体
薄膜層19が接触しプローブ電流が急激に増加するため
再生用サーボ回路27は、その間出力電圧が一定になる
ようにHOLD回路をONにするよう制御している。2
6はY方向微動制御機構24を用いてプローブ15をY
方向に移動制御するためのXY走査駆動回路である。3
1と32は、予め、10-9A程度のプローブ電流が得ら
れるようにプローブ15と基板20とのY方向相対変位
を大きくとる(微動制御機構の範囲外)のに用いられ
る。これらの各機器は、全てマイクロコンピューター3
3により中央制御されている。また34は表示装置を表
している。
When recording information, the probe 15 and the conductor thin film layer 19 come into contact with each other and the probe current sharply increases, so that the reproducing servo circuit 27 turns on the HOLD circuit so that the output voltage becomes constant during that time. Control. Two
6 uses the Y-direction fine movement control mechanism 24 to move the probe 15 to the Y direction.
It is an XY scanning drive circuit for controlling movement in directions. Three
1 and 32 are used in advance to make a large relative displacement in the Y direction between the probe 15 and the substrate 20 (outside the range of the fine movement control mechanism) so that a probe current of about 10 −9 A can be obtained. Each of these devices is a microcomputer 3
Centrally controlled by 3. Reference numeral 34 represents a display device.

【0054】本発明の実施例1で説明した微小変位素子
を用いた移動制御における機械的性能を下記に示す。
The mechanical performance in movement control using the minute displacement element described in the first embodiment of the present invention is shown below.

【0055】 Z方向微動制御範囲 :0.1nm〜5μm Y方向微動制御範囲 : 1nm〜20μm X方向微動制御範囲 : 1nm〜100μm XY方向粗動制御範囲: 10nm〜10mm Z方向粗動制御範囲 : 10nm〜10mm 以下、説明した情報処理装置を用いての記録再生の実験
について述べる。
Z direction fine movement control range: 0.1 nm to 5 μm Y direction fine movement control range: 1 nm to 20 μm X direction fine movement control range: 1 nm to 100 μm XY direction coarse movement control range: 10 nm to 10 mm Z direction coarse movement control range: 10 nm -10 mm Hereinafter, a recording / reproducing experiment using the information processing apparatus described above will be described.

【0056】記録層18としてポリイミドLB膜を4層
(約1.5nm)成膜したものを用いた。これを、情報
処理装置にセットした。次に、プローブ15と記録媒体
との間に1.5Vのバイアス電圧を印加し、プローブ1
5と導電体薄膜19との距離(Z)を調整した。この
時、距離Zを制御するためのプローブ電流Ipを10-8
A≧Ip≧10-10Aになるように設定した。
As the recording layer 18, a polyimide LB film having four layers (about 1.5 nm) was used. This was set in the information processing device. Next, a bias voltage of 1.5 V is applied between the probe 15 and the recording medium, and the probe 1
The distance (Z) between 5 and the conductor thin film 19 was adjusted. At this time, the probe current Ip for controlling the distance Z is set to 10 −8.
It was set so that A ≧ Ip ≧ 10 −10 A.

【0057】次に、XY方向の位置を固定したまま、プ
ローブ15のZ方向微動制御機構25の微小変位素子の
圧電体に記録用電圧を印加することにより、プローブ1
5を上下させプローブ15を記録媒体に接触させること
により、記録媒体の表面形状を変化させて記録を行っ
た。但し、この時プローブ15と記録媒体の接触量を1
5nmに調整した。また、再生用サーボ回路27はその
間出力電圧が一定になるようにHOLD回路をONにす
るよう制御している。
Next, by applying a recording voltage to the piezoelectric body of the fine displacement element of the Z direction fine movement control mechanism 25 of the probe 15 while fixing the position in the XY direction, the probe 1
Recording was carried out by changing the surface shape of the recording medium by moving 5 up and down and bringing the probe 15 into contact with the recording medium. However, at this time, the contact amount between the probe 15 and the recording medium is set to 1
It was adjusted to 5 nm. Further, the reproducing servo circuit 27 controls to turn on the HOLD circuit so that the output voltage becomes constant during that time.

【0058】次に、プローブ15と記録媒体との間に電
圧を印加しながらトンネル電流を観測し、距離Zを一定
に保ちながら、先ほど記録した場所にプローブ15をX
Y方向に走査させたところ、記録媒体の表面形状の変化
が確認でき、記録ビット21を再生することが可能であ
った。
Next, the tunnel current is observed while applying a voltage between the probe 15 and the recording medium, and the probe 15 is applied to the recording position X while keeping the distance Z constant.
When scanning was performed in the Y direction, a change in the surface shape of the recording medium was confirmed, and the recording bit 21 could be reproduced.

【0059】実施例4 本実施例では、前述した情報処理装置を使って、STM
として実験を行った結果について述べる。
Fourth Embodiment In this embodiment, the STM is used by using the information processing apparatus described above.
The result of the experiment will be described.

【0060】実施例3で述べた記録媒体を被観察物とし
て走査し、プローブ15と被観察物との間に電圧を印加
し、トンネル電流値の結果を出力するとSTM像が得ら
れる。本実施例では被観察物としてSi基板(100)
を用いて、STM像を得たところ、Si基板の広範囲に
わたって像を原子オーダーで観察でき、さらに安定な像
が得られた。
An STM image is obtained by scanning the recording medium described in Example 3 as an object to be observed, applying a voltage between the probe 15 and the object to be observed, and outputting the result of the tunnel current value. In this embodiment, a Si substrate (100) is used as the object to be observed.
When an STM image was obtained using, the image could be observed over a wide area of the Si substrate in atomic order, and a more stable image was obtained.

【0061】実施例5 本発明第2の構成による微小変位素子の作製方法はまず
半導体基板の両面に絶縁体層を成膜し、基板裏面の該絶
縁膜に開けられたエッチング孔から基板の結晶方位に依
存するエッチング法により基板をエッチングし、メンブ
レンを形成する。次に基板表面にバイモルフ構成要素を
下電極・下部ZnO・中電極・上部ZnO・上電極の順
に成膜しパターニングする。ここでZnOの結晶配向性
を上げ、ZnOへの実効電圧を上げ、かつプロセスを簡
単にするために、電極としてAuあるいはAu合金、好
ましくは(111)面に配向したAuあるいはAu合金
を用いる。さらに2層のZnOをカンチレバー形状にパ
ターニングした後、バイモルフ上に取り出し電極とプロ
ーブを形成し、最後にシリコンメンブレンを除去して微
小変位素子を形成する。
Example 5 In the method of manufacturing a micro-displacement element according to the second structure of the present invention, first, an insulating layer is formed on both surfaces of a semiconductor substrate, and a crystal of the substrate is formed from an etching hole formed in the insulating film on the back surface of the substrate. The substrate is etched by an azimuth-dependent etching method to form a membrane. Next, a bimorph constituent element is formed on the surface of the substrate in the order of lower electrode / lower ZnO / middle electrode / upper ZnO / upper electrode and patterned. Here, in order to increase the crystal orientation of ZnO, increase the effective voltage to ZnO, and simplify the process, Au or Au alloy, preferably Au or Au alloy oriented in the (111) plane is used as an electrode. After further patterning two layers of ZnO into a cantilever shape, an extraction electrode and a probe are formed on the bimorph, and finally the silicon membrane is removed to form a minute displacement element.

【0062】図10及び図11は、Au電極上のZnO
の配向性及び圧電性に関するグラフである。図10は、
Au(111)面のX線ロッキングカーブの標準偏差と
ZnO(002)面のX線ロッキングカーブの標準偏差
の関係を示す実験値である。この図からAuの(11
1)面配向性が向上するとZnO(002)面配向性
(C軸配向性)も向上することが分かる。図11は、A
u(111)面のX線ロッキングカーブの標準偏差とZ
nOの電気機械結合定数の関係を示す実験値である。Z
nOの電気機械結合定数と圧電性は比例関係にあるの
で、この図からAuの(111)面のX線ロッキングカ
ーブの標準偏差が5°以上になると急激にZnOの圧電
性が低下することが分かる。この2つの図から、ZnO
の圧電性を向上させるためにはAu電極(111)面の
配向性を向上させることが必要で、その配向性を示すX
線ロッキングカーブの分散角は5°以内であり望ましく
は3°以内である。また、Au合金電極上のZnOの配
向性及び圧電性に関しても同様の結果が得られた。Au
合金電極の場合、その結晶面が(111)面に配向する
ために常温で面心立方構造を持つことが必要であり、そ
のようなAu合金は例えば、Ag,Cu,Pdを含むA
uあるいは、17%以下のCd,15%以下のZn,5
%以下のFeを含むAu等が挙げられる。これらの組成
のAu合金薄膜は結晶面(111)面に配向するため、
その配向性を向上させることでAu電極同様ZnOの圧
電性を上げる効果がある。
FIGS. 10 and 11 show ZnO on the Au electrode.
3 is a graph relating to the orientation and piezoelectricity of the. Figure 10
It is an experimental value showing the relationship between the standard deviation of the X-ray rocking curve of the Au (111) plane and the standard deviation of the X-ray rocking curve of the ZnO (002) plane. From this figure, Au (11
1) It can be seen that when the plane orientation is improved, the ZnO (002) plane orientation (C-axis orientation) is also improved. FIG. 11 shows A
Standard deviation of X-ray rocking curve of u (111) plane and Z
It is an experimental value showing the relationship of the electromechanical coupling constant of nO. Z
Since the electromechanical coupling constant of nO and the piezoelectricity are proportional to each other, it can be seen from this figure that the piezoelectricity of ZnO sharply decreases when the standard deviation of the X-ray rocking curve of the (111) plane of Au is 5 ° or more. I understand. From these two figures, ZnO
It is necessary to improve the orientation of the Au electrode (111) surface in order to improve the piezoelectricity of X.
The dispersion angle of the line rocking curve is within 5 °, preferably within 3 °. Similar results were obtained with respect to the orientation and piezoelectricity of ZnO on the Au alloy electrode. Au
In the case of an alloy electrode, it is necessary to have a face-centered cubic structure at room temperature because its crystal plane is oriented in the (111) plane, and such an Au alloy is, for example, A containing Ag, Cu, Pd.
u or 17% or less Cd, 15% or less Zn, 5
% Au or the like containing Fe or less. Since the Au alloy thin films having these compositions are oriented in the crystal plane (111) plane,
By improving the orientation, ZnO has the same effect as the Au electrode.

【0063】以下、具体例としてAu電極を用いた場合
について述べる。図6はその縦断面図、図7はその横断
面図である。カンチレバーの寸法は、縦が500μm、
横が150μmである。
The case where an Au electrode is used will be described below as a specific example. 6 is a vertical sectional view thereof, and FIG. 7 is a horizontal sectional view thereof. The size of the cantilever is 500 μm in the vertical direction,
The width is 150 μm.

【0064】作製プロセスを以下に示す。まず結晶方位
(100)面を主面とする両面研磨したn型シリコン基
板22(厚さ525μm)の両面にLPCVD法により
Si34膜2、3を2000Å成膜した。次にSi基板
22の裏面のSi34膜4をパターニングし、KOH水
溶液によるSi結晶異方性エッチングにより20μmの
Siメンブレンを形成した。さらにSi基板22の表面
に図8の如きバイモルフ構造を形成した。バイモルフ構
造は、Si34膜3上に、 下電極11としてCrを30Å、Auを1000Å真
空蒸着法により成膜しパターニングした。ZnOより
なる下部圧電体薄膜9をマグネトロンスパッタにより3
000Å成膜した。ターゲットはZnを用い、Ar・O
2雰囲気中で成膜した。中電極12としてAuを20
00Å真空蒸着法により成膜し、パターニングした。
ZnOよりなる上部圧電体薄膜10をマグネトロンスパ
ッタにより3000Å成膜した。上電極13及び取り
出し電極16としてAuを1000Å真空蒸着法により
成膜し、パターニングした。
The manufacturing process is shown below. First, 2000 Å of Si 3 N 4 films 2 and 3 were formed by LPCVD on both surfaces of an n-type silicon substrate 22 (thickness: 525 μm) whose both surfaces were crystallographically oriented (100) planes. Next, the Si 3 N 4 film 4 on the back surface of the Si substrate 22 was patterned, and a 20 μm Si membrane was formed by Si crystal anisotropic etching with a KOH aqueous solution. Further, a bimorph structure as shown in FIG. 8 was formed on the surface of the Si substrate 22. The bimorph structure was formed by patterning Cr as a lower electrode 30 Å and Au as a 1000 Å vacuum evaporation method as a lower electrode 11 on the Si 3 N 4 film 3. The lower piezoelectric thin film 9 made of ZnO is formed by magnetron sputtering to 3
A film was formed at 000Å. Zn is used as a target and Ar.O
The film was formed in 2 atmospheres. Au as the middle electrode 12 is 20
00Å A film was formed by a vacuum evaporation method and patterned.
An upper piezoelectric thin film 10 made of ZnO was formed into a film of 3000 Å by magnetron sputtering. Au was formed into a film as the upper electrode 13 and the take-out electrode 16 by a 1000 Å vacuum deposition method, and patterned.

【0065】上電極13・中電極12の配向性を示すX
線ロッキングカーブの分散角はいずれも3°であった。
下電極11・中電極12・上電極13はそれぞれ駆動用
の増幅回路につながる取り出し部分を有する。下電極1
1と上電極13はそれぞれ2分割されており、合計5つ
の電極を有する3軸方向に駆動可能なカンチレバーとな
っている。
X showing the orientation of the upper electrode 13 and the middle electrode 12
The dispersion angles of the line rocking curves were all 3 °.
Each of the lower electrode 11, the middle electrode 12, and the upper electrode 13 has a lead-out portion connected to a driving amplifier circuit. Lower electrode 1
Each of the upper electrode 13 and the upper electrode 13 is divided into two, and is a cantilever having five electrodes in total and capable of being driven in three axial directions.

【0066】次に、ZnOよりなる圧電体薄膜9、10
をカンチレバー形状にパターニングし、その後W(タン
グステン)を真空蒸着法で成膜し、プローブ15を形成
した。
Next, piezoelectric thin films 9 and 10 made of ZnO.
Was patterned into a cantilever shape, and then W (tungsten) was deposited by a vacuum deposition method to form the probe 15.

【0067】最後に、CF4,O2ガスによる反応性イオ
ンエッチングによりSiメンブレンを除去し、カンチレ
バーを形成した。
Finally, the Si membrane was removed by reactive ion etching using CF 4 and O 2 gas to form a cantilever.

【0068】実施例6 本実施例で示すものは、本発明第2の構成による他の微
小変位素子である。本実施例においては図9の如くバイ
モルフの中電極12及び上電極13にAu90%Zn1
0%合金を用いることにより、中電極12とZnOより
なる下部圧電体薄膜9との密着性及び上電極13とZn
Oよりなる上部圧電体薄膜10との密着性を実施例5よ
りも向上させた。電極構成以外の構成は実施例5と同じ
であり、図6の縦断面図及び図7の横断面図がそのまま
適用される。
Embodiment 6 This embodiment shows another micro displacement element according to the second constitution of the present invention. In this embodiment, as shown in FIG. 9, Au90% Zn1 is used for the middle electrode 12 and the upper electrode 13 of the bimorph.
By using a 0% alloy, the adhesion between the middle electrode 12 and the lower piezoelectric thin film 9 made of ZnO, and the upper electrode 13 and Zn
The adhesion with the upper piezoelectric thin film 10 made of O was improved as compared with the fifth embodiment. The configuration other than the electrode configuration is the same as that of the fifth embodiment, and the vertical sectional view of FIG. 6 and the horizontal sectional view of FIG. 7 are applied as they are.

【0069】バイモルフ構造は、Si34膜2上に、
下電極11としてCrを30Å、Auを1000Å真空
蒸着法により成膜しパターニングした。ZnOよりな
る下部圧電体薄膜9をマグネトロンスパッタにより30
00Å成膜した。中電極12としてAu90%Zn1
0%合金を2000Å真空蒸着法により成膜し、パター
ニングした。ZnOよりなる上部圧電体薄膜10をマ
グネトロンスパッタにより3000Å成膜した。上電
極13及びトンネル電流取り出し電極16としてAu9
0%Zn10%合金を1000Å真空蒸着法により成膜
し、パターニングした。
The bimorph structure is formed on the Si 3 N 4 film 2 by
As the lower electrode 11, 30 Å of Cr and 1000 Å of Au were formed into a film by a vacuum evaporation method and patterned. The lower piezoelectric thin film 9 made of ZnO is formed by magnetron sputtering to 30
00Å A film was formed. Au 90% Zn1 as the middle electrode 12
A 0% alloy was formed into a film by a 2000Å vacuum deposition method and patterned. An upper piezoelectric thin film 10 made of ZnO was formed into a film of 3000 Å by magnetron sputtering. Au9 as the upper electrode 13 and the tunnel current extraction electrode 16
A 0% Zn10% alloy was formed into a film by the 1000Å vacuum deposition method and patterned.

【0070】上電極13・中電極12の配向性を示すX
線ロッキングカーブの分散角はいずれも5°であった。
X showing the orientation of the upper electrode 13 and the middle electrode 12
The dispersion angles of the line rocking curves were all 5 °.

【0071】実施例7 本実施例では、本発明第2の構成の微小変位素子を複数
個用いた情報処理装置について述べる。
Embodiment 7 In this embodiment, an information processing apparatus using a plurality of minute displacement elements having the second structure of the present invention will be described.

【0072】図12に本発明の主要部構成及びブロック
図を示す。本図にもとづいて説明すると、記録再生ヘッ
ド40上には、本発明による微小変位素子41が複数配
置されている。これら複数の微小変位素子41は、一様
に記録媒体と対向する様に配置してある。42は情報記
録用の記録媒体、43は記録媒体42とプローブ15と
の間に電圧を印加するための下地電極、44は記録媒体
ホルダーである。記録媒体42は、プローブ15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ま
たは凹型に変形することが可能な金属、半導体、酸化
物、有機薄膜、あるいはトンネル電流により電気的性質
が変化し電気的メモリー効果を有する有機薄膜等よりな
る。電気メモリー効果は前記の有機薄膜を一対の電極間
に配置させた状態でそれぞれ異なる2つ以上の導電率を
示す状態(図13ON状態、OFF状態)へ遷移させる
ことが可能なしきい値を越えた電圧を印加することによ
り可逆的に低抵抗状態(ON状態)及び高抵抗状態(O
FF状態)へ遷移(スイッチング)させることができ
る。またそれぞれの状態は電圧を印加しなくとも保持
(メモリー)しておくことができる。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・
ブロジェット膜である(特開昭63−161552号公
報参照)。たとえば石英ガラス基板の上に下地電極43
として真空蒸着法によってCrを50Å堆積させさらに
その上にAuを300Å同法により蒸着したものを用
い、その上にLB法によってSOAZ(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。
FIG. 12 shows the configuration and block diagram of the main part of the present invention. Explaining with reference to this figure, a plurality of minute displacement elements 41 according to the present invention are arranged on the recording / reproducing head 40. The plurality of minute displacement elements 41 are arranged so as to uniformly face the recording medium. 42 is a recording medium for recording information, 43 is a base electrode for applying a voltage between the recording medium 42 and the probe 15, and 44 is a recording medium holder. The recording medium 42 has a metal, a semiconductor, an oxide, an organic thin film capable of deforming the shape of the surface of the recording medium into a convex shape or a concave shape by a tunnel current generated from the probe 15, or an electric property thereof is changed by a tunnel current. It is composed of an organic thin film having an electric memory effect. The electric memory effect exceeds the threshold value that allows the organic thin film to transit to a state in which two or more different electric conductivities (ON state, OFF state) in FIG. Reversible low resistance state (ON state) and high resistance state (O
It is possible to make a transition (switching) to the FF state). Further, each state can be retained (memory) without applying a voltage. The organic thin film whose electric characteristics change is preferably Langmuir
It is a blow jet film (see Japanese Patent Laid-Open No. 63-161552). For example, a base electrode 43 on a quartz glass substrate
As 50 Å of Cr deposited by vacuum evaporation method and further 300 Å of Au deposited thereon by using the same method, on which four layers of SOAZ (squarylium-bis-6-octylazulene) are laminated by LB method, etc. To use.

【0073】46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、47はデータ変調回路で
変調された信号を記録媒体42とプローブ41の間に電
圧を印加することで記録媒体42上に記録するための記
録電圧印加装置である。プローブ41を記録媒体42に
所定間隔まで近づけ記録電圧印加装置47によって例え
ば3ボルト幅50nsの矩形上パルス電圧を印加すると
記録媒体42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48を用いて、この操作をプロ
ーブ41で記録媒体42面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48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、インチウォーム等の制御機構を用い
て行う。
Reference numeral 46 is a data modulation circuit for modulating the data to be recorded into a signal suitable for recording, and 47 is a recording medium by applying a voltage between the recording medium 42 and the probe 41 to the signal modulated by the data modulation circuit. 42 is a recording voltage applying device for recording on. When the probe 41 is brought close to the recording medium 42 by a predetermined distance and a rectangular pulse voltage having, for example, a 3-volt width of 50 ns is applied by the recording voltage applying device 47, the recording medium 42 undergoes a characteristic change and a portion having a low electric resistance is generated. Information is recorded by performing this operation while scanning the surface of the recording medium 42 with the probe 41 using the XY stage 48. Although not shown in the figure,
As a scanning mechanism by the XY stage 48, a control mechanism such as a cylindrical piezo actuator, a parallel spring, a differential micrometer, a voice coil, and an inch worm is used.

【0074】49はプローブ41と記録媒体42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、50は記録信号検出回路49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41と記録媒体42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41と記録媒体42間に加える。この状態で
記録媒体42上の記録データ列に沿ってプローブ41に
て走査中に記録信号検出回路49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50で復調することにより再生デー
タ信号を得られる。
Reference numeral 49 is a recording signal detection circuit for applying a voltage between the probe 41 and the recording medium 42 to detect a tunnel current flowing between them, and 50 is for demodulating the tunnel current signal detected by the recording signal detection circuit 49. This is a data demodulation circuit. During reproduction, the probe 41 and the recording medium 42 are arranged at a predetermined interval, and a DC voltage lower than the recording voltage, for example, 200 mV is applied between the probe 41 and the recording medium 42. In this state, the tunnel current signal detected by the recording signal detection circuit 49 during scanning with the probe 41 along the recording data string on the recording medium 42 corresponds to the recording data signal. Therefore,
A reproduced data signal can be obtained by current-voltage converting the detected tunnel current signal, outputting the tunnel current signal, and demodulating by the data demodulation circuit 50.

【0075】51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51は記録信号検出回路49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41を上下動制御させるため
にx,z軸駆動制御回路52に命令信号を発信する。こ
れによりプローブ41と媒体42との間隔が略一定に保
たれる。
Reference numeral 51 is a probe height detection circuit. The probe height detection circuit 51 receives the detection signal of the recording signal detection circuit 49, cuts off the high frequency vibration component due to the presence or absence of an information bit, processes the remaining signal, and makes the remaining signal value constant. A command signal is transmitted to the x-axis and z-axis drive control circuit 52 in order to control the vertical movement of the probe 41. This keeps the distance between the probe 41 and the medium 42 substantially constant.

【0076】53はトラック検出回路である。トラック
検出回路53はプローブ41で記録媒体42上を走査す
る際にプローブ41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。
Reference numeral 53 is a track detection circuit. When the probe 41 scans the recording medium 42, the track detection circuit 53 deviates from a path along which the data of the probe 41 should be recorded, or a deviation from a recorded data string (hereinafter, these are referred to as tracks). This is the detection circuit.

【0077】以上のデータ変調回路46、記録電圧印加
装置47、記録信号検出回路49、データ復調回路5
0、プローブ高さ検出回路51、x,z軸駆動制御回路
52、トラック検出回路53で記録再生用回路54を形
成する。一例として示す図12の記録再生ヘッド40に
おいて、記録再生用回路54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。なお、記録媒体の材質及び微小変位素
子のトラッキング方法は本発明を制限するものではな
い。
The above data modulating circuit 46, recording voltage applying device 47, recording signal detecting circuit 49, data demodulating circuit 5
0, the probe height detection circuit 51, the x, z axis drive control circuit 52, and the track detection circuit 53 form a recording / reproducing circuit 54. In the recording / reproducing head 40 shown in FIG. 12 as an example, one recording / reproducing circuit 54 is provided for each of the plurality of probes facing the recording medium and its driving mechanism. Elements such as displacement control (tracking, interval adjustment, etc.) are performed independently. The material of the recording medium and the tracking method of the minute displacement element do not limit the present invention.

【0078】上述した情報処理装置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、または走査型
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。
Although all of the above-mentioned information processing devices are recording / reproducing devices, it goes without saying that the present invention can be applied to recording / reproducing only devices or scanning tunnel current detecting devices.

【0079】比較例 実施例5・6の微小変位素子においては、ZnOのC
軸配向性を示すX線ロッキング曲線の分散角が3〜5°
と小さく、C軸配向性が高いため、ZnOの圧電性が向
上し、変位量を大きくすることができる。電極間にZ
nO以外の層がないため、ZnOへの実効電圧が大き
く、印加電圧に対する変位量を大きくすることができ
る。電極とZnO圧電体との間に層間膜がないため、
電極形成プロセスが容易である。以上〜の効果があ
る。
Comparative Example In the minute displacement elements of Examples 5 and 6, C of ZnO was used.
The dispersion angle of the X-ray rocking curve showing the axial orientation is 3 to 5 °.
Since it is small and the C-axis orientation is high, the piezoelectricity of ZnO is improved and the displacement amount can be increased. Z between electrodes
Since there is no layer other than nO, the effective voltage to ZnO is large, and the amount of displacement with respect to the applied voltage can be increased. Since there is no interlayer film between the electrode and the ZnO piezoelectric body,
The electrode formation process is easy. There are the above effects.

【0080】実施例5・6によるカンチレバー型プロー
ブの比較例として、図18の如きバイモルフ構造、即ち
3層のAl電極と2層のZnO圧電体薄膜からなる微小
変位素子(比較例1)及び、図19の如きバイモルフ構
造、即ち3層のAl電極と2層のZnO圧電体薄膜及び
4層のSiO2中間絶縁層からなる微小変位素子(比較
例2)を選び、変位量の比較を行った。その結果を以下
に示す。
As a comparative example of the cantilever type probes according to Examples 5 and 6, a bimorph structure as shown in FIG. 18, that is, a micro displacement element composed of three layers of Al electrodes and two layers of ZnO piezoelectric thin film (Comparative Example 1), and A displacement amount was compared by selecting a micro-displacement element (comparative example 2) having a bimorph structure as shown in FIG. 19, ie, three layers of Al electrodes, two layers of ZnO piezoelectric thin film and four layers of SiO 2 intermediate insulating layer. . The results are shown below.

【0081】[0081]

【表1】 上記結果より、実施例5の変位量は比較例1の100
倍、比較例2の10倍の変位量にすることができた。ま
た、実施例6の変位量は、電極の配向性を示すX線ロッ
キングカーブの分散角が実施例5よりも大きいため変位
量がやや小さいが、上電極13にAu90%Zn10%
合金を用いることにより、ZnOよりなる下部圧電体薄
膜9と中電極12との密着性及びZnOよりなる上部圧
電体薄膜10と上電極13との密着性をさらに向上させ
た。
[Table 1] From the above results, the displacement amount of Example 5 was 100 of Comparative Example 1.
The amount of displacement was 10 times that of Comparative Example 2. Further, the displacement amount of Example 6 is slightly smaller because the dispersion angle of the X-ray rocking curve showing the orientation of the electrode is larger than that of Example 5, but the upper electrode 13 is Au 90% Zn 10%.
By using the alloy, the adhesiveness between the lower piezoelectric thin film 9 made of ZnO and the middle electrode 12 and the adhesiveness between the upper piezoelectric thin film 10 made of ZnO and the upper electrode 13 were further improved.

【0082】実施例8 酸化タンタルは化学的に安定であることが知られてい
る。また圧電性において、圧電定数,電気機械結合定数
ともに良好な特性を示す。また絶縁性においては、抵抗
率,耐圧ともに高いことが知られている。
Example 8 Tantalum oxide is known to be chemically stable. Further, regarding piezoelectricity, both piezoelectric constant and electromechanical coupling constant exhibit good characteristics. It is known that the insulating property is high in both resistivity and breakdown voltage.

【0083】一般に、圧電体薄膜形成においては、通常
スパッタ法が用いられる。例えばZnO薄膜においては
良好な圧電性を得るためには、200℃前後の基板温度
で作製するが、酸化タンタルでは約500℃と高い温度
で成膜しなければならないという欠点はあるが全体のプ
ロセス及び、効果の面で考えると酸化タンタルは良好で
ある。
Generally, a sputtering method is usually used for forming the piezoelectric thin film. For example, in order to obtain a good piezoelectricity in a ZnO thin film, it is formed at a substrate temperature of about 200 ° C., but tantalum oxide has a drawback that it needs to be formed at a high temperature of about 500 ° C. Also, from the viewpoint of effect, tantalum oxide is good.

【0084】Siの異方性エッチングにおいては、通常
エッチング液として、KOH水溶液(20〜30wt
%)が用いられる。例えば、KOH水溶液(28wt
%)で110℃でエッチングすると、Siは4μm/m
inでエッチングされる。これに対しZnOは5μm/
min,酸化タンタルは0.05μm/minである。
つまり、酸化タンタルはSiに比して1:80の速度差
を持っている。また酸化タンタルの上にAuのマスクを
使い、エッチングすると、その酸化タンタルのアンダー
カットは非常に小さく、アスペクト比が高いエッチング
が行える。
In the anisotropic etching of Si, a KOH aqueous solution (20 to 30 wt.
%) Is used. For example, KOH aqueous solution (28 wt
%) Si is 4 μm / m when etched at 110 ° C.
etched in. On the other hand, ZnO is 5 μm /
min, tantalum oxide is 0.05 μm / min.
That is, tantalum oxide has a speed difference of 1:80 compared to Si. When an Au mask is used for etching on tantalum oxide, the undercut of tantalum oxide is very small, and etching with a high aspect ratio can be performed.

【0085】図14を用いて、本発明第3の構成の微小
変位素子を詳細に説明する。まず図14(a)におい
て、Si(100)基板22厚さ0.15mmの裏面に
CVD法により、Si34膜3を1500Å程度成膜し
た。使用したガスはSiH2Cl2:NH3=1:9であ
り、成膜温度は800℃であった。次にフォトリソグラ
フィー,CF4ドライエッチングにより、Si34膜3
を所望の形状にパターニングを行った。この後に、Au
を1000Å成膜し下電極11を形成し、フォトリソグ
ラフィーおよびウェットエッチングによりパターニング
を行った。ついで、スパッタ法により、酸化タンタルよ
りなる下部圧電体薄膜9を1μm成膜した。ターゲット
にはTaを用い、O2雰囲気にて、基板温度500℃に
てスパッタを行った。その後、Auよりなる中電極12
を成膜し、フォトリソグラフィーとウェットエッチング
によりパターニングで作製し、同様に、酸化タンタルよ
りなる上部圧電体薄膜10を形成、さらに上電極13を
形成した。次にプローブ15としてタングステンを成膜
し、フォトリソグラフィーとリフトオフにより、プロー
ブ15を作製した。その後、KOH(28wt%)11
0℃で、異方性エッチングを行い、図14(b)のよう
に所望のSiと酸化タンタル薄膜を同時に除去し、微小
変位素子を作製した。
The minute displacement element having the third structure of the present invention will be described in detail with reference to FIG. First, in FIG. 14A, a Si 3 N 4 film 3 was formed on the back surface of the Si (100) substrate 22 having a thickness of 0.15 mm by the CVD method to a thickness of about 1500 Å. The gas used was SiH 2 Cl 2 : NH 3 = 1: 9, and the film formation temperature was 800 ° C. Next, the Si 3 N 4 film 3 is formed by photolithography and CF 4 dry etching.
Was patterned into a desired shape. After this, Au
Was deposited to form a lower electrode 11, and patterning was performed by photolithography and wet etching. Then, a lower piezoelectric thin film 9 made of tantalum oxide was formed to a thickness of 1 μm by the sputtering method. Ta was used as a target, and sputtering was performed in an O 2 atmosphere at a substrate temperature of 500 ° C. Then, the middle electrode 12 made of Au
Was formed by patterning by photolithography and wet etching, and similarly, the upper piezoelectric thin film 10 made of tantalum oxide was formed, and further the upper electrode 13 was formed. Next, a tungsten film was formed as the probe 15, and the probe 15 was manufactured by photolithography and lift-off. After that, KOH (28wt%) 11
Anisotropic etching was performed at 0 ° C. to remove desired Si and the tantalum oxide thin film at the same time, as shown in FIG. 14B, to fabricate a minute displacement element.

【0086】このようにして、作製した微小変位素子
は、例えばZnOを圧電体薄膜として用いた従来の微小
変位素子の作製より大幅に工程数を減らすことができ
た。
In this way, the number of steps of the manufactured micro-displacement element could be significantly reduced as compared with the manufacture of the conventional micro-displacement element using, for example, ZnO as the piezoelectric thin film.

【0087】以上の方法で作製した微小変位素子を動作
させたところ、同じ電圧でZnOよりなる圧電体薄膜で
作製した微小変位素子に比べて50%以上変位量が多
く、さらに破壊電圧では、2倍以上高く、結局3倍以上
の変位量が得られた。
When the minute displacement element manufactured by the above method was operated, the displacement amount was 50% or more larger than that of the minute displacement element manufactured by the piezoelectric thin film made of ZnO at the same voltage, and the breakdown voltage was 2 It was more than twice as high, and eventually three times or more displacement was obtained.

【0088】尚、本実施例においては、酸化タンタルよ
りなる圧電体薄膜を用いたカンチレバー状の微小変位素
子を示したが、本発明は、例えば、両持ちばり形状等の
他の微小変位素子にも応用できるものであり、異方性エ
ッチングにて、Si基板と圧電体薄膜を同時にエッチン
グする工程において、その速度差を利用して、あらかじ
め酸化タンタルよりなる圧電体薄膜の膜厚、およびSi
基板の除去すべき部分の厚さを設計しておけば、種々の
場合にも適用できるものである。
In this embodiment, the cantilever-shaped micro displacement element using the piezoelectric thin film made of tantalum oxide is shown. However, the present invention can be applied to other micro displacement elements such as a doubly supported beam shape. In the process of simultaneously etching the Si substrate and the piezoelectric thin film by anisotropic etching, the film thickness of the piezoelectric thin film made of tantalum oxide and Si
By designing the thickness of the portion of the substrate to be removed, it can be applied to various cases.

【0089】実施例9 本実施例で示すのは、本発明第3の構成の他の微小変位
素子の作製方法である。図15はそのプロセス工程図で
ある。
Embodiment 9 This embodiment shows another method for manufacturing a micro displacement element having the third structure of the present invention. FIG. 15 is a process step diagram thereof.

【0090】図15(a)においては、まずSi(10
0)基板22の両面にCVD法により、Si34膜2、
3を2000Å成膜した後、裏面のSi34膜2をフォ
トリソグラフィーとドライエッチングにより所望の形状
にパターニングした後、Si基板22の裏面からKOH
30wt%水溶液で、110℃にてSi基板22をエッ
チングし、20μmのSiメンブレンを形成した。
In FIG. 15A, first, Si (10
0) Si 3 N 4 film 2 on both sides of substrate 22 by the CVD method,
3 is deposited to 2000 Å, the Si 3 N 4 film 2 on the back surface is patterned into a desired shape by photolithography and dry etching, and then KOH is applied from the back surface of the Si substrate 22.
The Si substrate 22 was etched with a 30 wt% aqueous solution at 110 ° C. to form a 20 μm Si membrane.

【0091】次に、図15(b)において、Au下電極
11を成膜し、フォトリソグラフィーおよびウェットエ
ッチングによりパターニングし、その後に、実施例8と
同様に酸化タンタルよりなる下部圧電体薄膜9を形成、
その後にフォトリソグラフィーおよびウェットエッチン
グにより、酸化タンタルよりなる下部圧電体薄膜9のパ
ターニングを行った。この工程を繰り返し、図15
(b)のような構成を行った。次に、実施例8と同様
に、プローブ15を形成した。
Next, in FIG. 15B, the Au lower electrode 11 is formed and patterned by photolithography and wet etching, and thereafter, the lower piezoelectric thin film 9 made of tantalum oxide is formed as in the eighth embodiment. Formation,
After that, the lower piezoelectric thin film 9 made of tantalum oxide was patterned by photolithography and wet etching. This process is repeated, and FIG.
The configuration as shown in (b) was performed. Next, the probe 15 was formed in the same manner as in Example 8.

【0092】次に、これを再度、KOH30wt%水溶
液110℃にて残りのSiメンブレンをエッチングし
た。本実施例においては圧電体薄膜として、酸化タンタ
ルを使用しているので、KOH30wt%水溶液での過
酷なエッチングにおいても酸化タンタルのダメージは少
なく、保護層なしにSiのエッチングすることができ
る。次にドライエッチングにより、残ったSi34膜3
を除去し、図15(c)に示す微小変位素子を作製し
た。
Next, the remaining Si membrane was etched again with a KOH 30 wt% aqueous solution at 110 ° C. In this embodiment, since tantalum oxide is used as the piezoelectric thin film, tantalum oxide is less damaged even in severe etching with a 30 wt% KOH aqueous solution, and Si can be etched without a protective layer. Next, by dry etching, the remaining Si 3 N 4 film 3
Then, the micro displacement element shown in FIG. 15C was manufactured.

【0093】このようにして、作製した微小変位素子
は、Siエッチング液に浸しても、酸化タンタル膜のダ
メージが少なく、まわりこみも少ないので、圧電体薄膜
に保護層を設けることなく作製できるので、工程数を減
らすことができる。
The micro-displacement element thus manufactured can be manufactured without providing a protective layer on the piezoelectric thin film because the tantalum oxide film is less damaged even when immersed in a Si etching solution, and there is little wraparound. The number of steps can be reduced.

【0094】[0094]

【発明の効果】以上説明したように、まず第一に、Z軸
に垂直な面を主面とする単結晶水晶基板を用いた微小変
位素子並びにそれを用いた情報処理装置及びトンネル電
流検出装置によれば、基板の厚みによらない精度を保
つ。加工寸法精度を高める。といったような効果があ
る。
As described above, first of all, a micro-displacement element using a single crystal quartz substrate having a plane perpendicular to the Z-axis as a main surface, an information processing apparatus using the same, and a tunnel current detection apparatus. According to the method, the accuracy is maintained regardless of the thickness of the substrate. Improves processing dimensional accuracy. There is such an effect.

【0095】第二に2層のZnO圧電体薄膜と、前記圧
電体薄膜を逆圧電効果により変位させるための電極とを
もうけたカンチレバー状変位素子の上面自由端部に、情
報入出力用プローブをもうけた微小変位素子において、
電極とZnOとの接合面にAuあるいはAu合金、好ま
しくは(111)面に配向したAuあるいはAu合金を
用いることにより、ZnOの配向性が向上し、変位量
を大きくすることができる。ZnOへの実効電圧を上
げ、変位量を大きくすることができる。電極形成プロ
セスが容易である。以上〜の効果がある。
Secondly, an information input / output probe is provided at the free end of the upper surface of a cantilever-shaped displacement element having two layers of ZnO piezoelectric thin films and electrodes for displacing the piezoelectric thin films by the inverse piezoelectric effect. In the small displacement element,
By using Au or Au alloy, preferably Au or Au alloy oriented in the (111) plane for the bonding surface between the electrode and ZnO, the orientation of ZnO is improved and the displacement amount can be increased. The amount of displacement can be increased by increasing the effective voltage applied to ZnO. The electrode formation process is easy. There are the above effects.

【0096】更に、かかる微小変位素子を用いた情報処
理装置、トンネル電流検出装置においては、変位量に
対するカンチレバー型プローブの長さを短くすることが
できるため、複数プローブの密度を上げることができ、
小型にすることが可能である。変位量に対するカンチ
レバー型プローブの長さを短くすることができるため、
共振周波数を上げることができ、プローブの応答速度が
向上する。カンチレバー型プローブの変位量に対して
駆動電圧を小さくすることが可能なため、駆動電圧に起
因するトンネル電流へのノイズを低下させることができ
る。以上〜の効果がある。
Further, in the information processing device and the tunnel current detecting device using such a minute displacement element, since the length of the cantilever type probe with respect to the displacement amount can be shortened, the density of a plurality of probes can be increased,
It can be miniaturized. Since the length of the cantilever type probe for the amount of displacement can be shortened,
The resonance frequency can be increased, and the response speed of the probe is improved. Since it is possible to reduce the drive voltage with respect to the displacement amount of the cantilever probe, it is possible to reduce noise to the tunnel current due to the drive voltage. There are the above effects.

【0097】第三にSi基板上に、酸化タンタルよりな
る圧電体薄膜と該圧電体薄膜を逆圧電効果により変位さ
せる電極とを有し、かつ該電極がSiの異方性エッチン
グにより作成される微小変位素子及びその作製法を用い
ることで従来の例えばZnO膜等を用いた微小変位素子
よりも、電気特性の優れた微小変位素子が作製できるよ
うになった。さらに、異方性エッチング工程においてS
iと酸化タンタル膜を同時に除去できるので、大幅にプ
ロセスの工程を減少させることができる。これにより、
より安価な微小変位素子を提供できるようになった。
Thirdly, a piezoelectric thin film made of tantalum oxide and an electrode for displacing the piezoelectric thin film by an inverse piezoelectric effect are provided on a Si substrate, and the electrode is formed by anisotropic etching of Si. By using the micro-displacement element and its manufacturing method, it becomes possible to manufacture a micro-displacement element having excellent electrical characteristics as compared with the conventional micro-displacement element using, for example, a ZnO film. Furthermore, in the anisotropic etching process, S
Since i and the tantalum oxide film can be removed at the same time, the number of process steps can be significantly reduced. This allows
It has become possible to provide a more inexpensive micro displacement element.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明第1の構成の微小変位素子の1部分の斜
視図。
FIG. 1 is a perspective view of a part of a minute displacement element having a first structure according to the present invention.

【図2】本発明第1の構成の微小変位素子の概略工程断
面図。
FIG. 2 is a schematic process sectional view of the minute displacement element having the first structure of the present invention.

【図3】本発明第1の構成の他の実施例の微小変位素子
の概略工程断面図。
FIG. 3 is a schematic process cross-sectional view of a minute displacement element according to another embodiment of the first configuration of the present invention.

【図4】本発明の記録再生の原理を示した模式図。FIG. 4 is a schematic diagram showing the principle of recording / reproduction of the present invention.

【図5】本発明の記録再生装置のブロック図。FIG. 5 is a block diagram of a recording / reproducing apparatus of the present invention.

【図6】本発明第2の構成の微小変位素子の縦断面図。FIG. 6 is a vertical cross-sectional view of a minute displacement element having a second structure according to the present invention.

【図7】本発明第2の構成の微小変位素子の横断面図。FIG. 7 is a transverse cross-sectional view of a minute displacement element having a second structure according to the present invention.

【図8】Au,ZnOによるバイモルフ構成図。FIG. 8 is a configuration diagram of a bimorph of Au and ZnO.

【図9】AuZn,ZnOによるバイモルフ構成図。FIG. 9 is a bimorph block diagram of AuZn, ZnO.

【図10】Au(111)面のX線ロッキングカーブの
標準偏差とZnO(002)面のX線ロッキングカーブ
の標準偏差の関係を示すグラフ。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the standard deviation of the X-ray rocking curve of the Au (111) plane and the standard deviation of the X-ray rocking curve of the ZnO (002) plane.

【図11】Au(111)面のX線ロッキングカーブの
標準偏差とZnOバイモルフの電気機械結合定数の関係
を示すグラフ。
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the standard deviation of the X-ray rocking curve on the Au (111) plane and the electromechanical coupling constant of ZnO bimorph.

【図12】本発明の情報処理装置の構成概念図。FIG. 12 is a structural conceptual diagram of an information processing apparatus of the present invention.

【図13】有機薄膜の電気メモリー効果を示すグラフ。FIG. 13 is a graph showing an electric memory effect of an organic thin film.

【図14】本発明第3の構成の微小変位素子の断面図。FIG. 14 is a sectional view of a minute displacement element having a third structure of the present invention.

【図15】本発明第3の構成の微小変位素子の他の例の
断面図。
FIG. 15 is a cross-sectional view of another example of the minute displacement element having the third structure of the present invention.

【図16】従来例の微小変位素子の断面図。FIG. 16 is a cross-sectional view of a conventional small displacement element.

【図17】従来の微小変位素子の断面図。FIG. 17 is a cross-sectional view of a conventional micro displacement element.

【図18】Al,ZnOによるバイモルフ構成図。FIG. 18 is a configuration diagram of a bimorph of Al and ZnO.

【図19】Al,SiO2,ZnOによるバイモルフ構
成図。
FIG. 19 is a bimorph block diagram of Al, SiO 2 , ZnO.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 水晶基板 2、3 Si34膜 4 X軸等価面 5 Y軸等価面 6 基板貫通孔 7 カンチレバー 8 マーカー孔 9 下部圧電体薄膜 10 上部圧電体薄膜 11 下電極 12 中電極 13 上電極 14 絶縁体層 15 情報入出力用プローブ 16 取り出し電極 17 マーカー 18 記録層 19 導電体薄膜 20 基板 21 記録ビット 22 Si基板 40 記録再生ヘッド 41 微小変位素子 42 記録媒体 43 下地電極 44 記録媒体ホルダー 46 データ変調回路 47 記録電圧印加装置 48 X−Yステージ 49 記録信号検出回路 50 データ復調回路 51 プローブ高さ検出回路 52 x,z軸駆動制御回路 53 トラック検出回路 54 記録再生用回路1 Crystal substrate 2, 3 Si 3 N 4 film 4 X-axis equivalent surface 5 Y-axis equivalent surface 6 Substrate through hole 7 Cantilever 8 Marker hole 9 Lower piezoelectric thin film 10 Upper piezoelectric thin film 11 Lower electrode 12 Middle electrode 13 Upper electrode 14 Insulator layer 15 Information input / output probe 16 Extraction electrode 17 Marker 18 Recording layer 19 Conductive thin film 20 Substrate 21 Recording bit 22 Si substrate 40 Recording / reproducing head 41 Small displacement element 42 Recording medium 43 Base electrode 44 Recording medium holder 46 Data modulation Circuit 47 Recording voltage applying device 48 XY stage 49 Recording signal detection circuit 50 Data demodulation circuit 51 Probe height detection circuit 52 x, z axis drive control circuit 53 Track detection circuit 54 Recording / reproducing circuit

フロントページの続き (72)発明者 八木 隆行 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 中山 優 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 島田 康弘 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 高松 修 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 平井 裕 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内Continued front page    (72) Inventor Takayuki Yagi             3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo             Non non corporation (72) Inventor Yu Nakayama             3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo             Non non corporation (72) Inventor Yasuhiro Shimada             3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo             Non non corporation (72) Inventor Osamu Takamatsu             3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo             Non non corporation (72) Inventor Yutaka Hirai             3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo             Non non corporation

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に、少なくとも圧電体薄膜及び該
圧電体薄膜を圧電逆効果により変位させるための電極を
有する微小変位素子であって、該微小変位素子の上面自
由端部に情報入出力用プローブを設けた微小変位素子に
おいて、該基板がZ軸(プローブの垂直方向)に垂直な
面を主面とする単結晶水晶基板であることを特徴とする
微小変位素子。
1. A micro-displacement element having at least a piezoelectric thin film and an electrode for displacing the piezoelectric thin film by a piezoelectric inverse effect on a substrate, and information input / output at a free end portion of an upper surface of the micro-displacement element. Displacement element provided with a probe for use, wherein the substrate is a single crystal quartz substrate having a plane perpendicular to the Z-axis (perpendicular to the probe) as a main surface.
【請求項2】 少なくとも、2層の圧電体薄膜と該圧電
体薄膜を逆圧電効果により変位させるための電極とを有
するカンチレバー(片持ちばり)状変位素子の上面自由
端部に、情報入出力用プローブをもうけた微小変位素子
において、圧電体薄膜がZnOよりなり、かつ電極と圧
電体薄膜との接合面すべてがAuあるいはAu合金より
なることを特徴とする微小変位素子。
2. An information input / output is provided at an upper surface free end portion of a cantilever displacement element having at least two layers of piezoelectric thin films and electrodes for displacing the piezoelectric thin films by an inverse piezoelectric effect. A microdisplacement element having a probe for use, wherein the piezoelectric thin film is made of ZnO, and all the bonding surfaces between the electrodes and the piezoelectric thin film are made of Au or an Au alloy.
【請求項3】 電極に用いられるAuあるいはAu合金
薄膜面が(111)面に配向し、その配向性を示すX線
ロッキングカーブの分散角が5°以内であることを特徴
とする請求項2記載の微小変位素子。
3. The Au or Au alloy thin film surface used for the electrode is oriented in the (111) plane, and the dispersion angle of the X-ray rocking curve showing the orientation is within 5 °. The minute displacement element described.
【請求項4】 Si基板上に少なくとも圧電体薄膜と該
圧電体薄膜を逆圧電効果により変位させるための電極を
有し、かつ、該電極がSiの異方性エッチングにより作
製される微小変位素子において、圧電体薄膜が酸化タン
タルであることを特徴とする微小変位素子。
4. A micro-displacement element having at least a piezoelectric thin film and an electrode for displacing the piezoelectric thin film by an inverse piezoelectric effect on a Si substrate, and the electrode being manufactured by anisotropic etching of Si. 2. A micro displacement element, wherein the piezoelectric thin film is tantalum oxide.
【請求項5】 異方性エッチングにおいて、酸化タンタ
ルとSiのエッチングの速度差を利用して、同時に酸化
タンタルとSiをエッチングすることを特徴とする請求
項4記載の微小変位素子の製造方法。
5. The method of manufacturing a micro displacement element according to claim 4, wherein in the anisotropic etching, the tantalum oxide and Si are simultaneously etched by utilizing the difference in etching rate between tantalum oxide and Si.
【請求項6】 請求項1〜4のいずれか1項に記載の微
小変位素子を記録媒体と対向配置し、該微小変位素子に
微小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
に印加しうる情報処理用バイアス電圧印加回路を具備し
たことを特徴とする情報処理装置。
6. The minute displacement element according to claim 1 is arranged to face a recording medium, and the minute displacement element controls a driving means for driving the minute displacement element and the driving means. An information processing apparatus comprising a control means and an information processing bias voltage applying circuit which can be applied between a recording medium and a probe.
【請求項7】 請求項1〜4のいずれか1項に記載の微
小変位素子を複数個、記録媒体と対向配置し、該微小変
位素子の各々に、微小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うる情報処理用バイアス電
圧印加回路を備えたことを特徴とする情報処理装置。
7. A plurality of the minute displacement elements according to claim 1 are arranged so as to face a recording medium, and each of the minute displacement elements has a driving means for driving the minute displacement element. An information processing apparatus comprising: a control unit that controls the driving unit; and an information processing bias voltage applying circuit that can be applied between a recording medium and a probe.
【請求項8】 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、微小変位素
子を変位させるためのバイアス電圧を変化させ、その信
号を微小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6又は7に記載の情報処理装置。
8. The control means changes a bias voltage for displacing the micro displacement element based on a detection result of a tunnel current flowing between the recording medium and the probe, and outputs the signal to an electrode constituting the micro displacement element. The information processing apparatus according to claim 6 or 7, wherein the information processing apparatus is provided to the user.
【請求項9】 記録媒体が、電気メモリー効果を有する
ことを特徴とする請求項6又は7に記載の情報処理装
置。
9. The information processing apparatus according to claim 6, wherein the recording medium has an electric memory effect.
【請求項10】 記録媒体の表面が非導電性であること
を特徴とする請求項6又は7に記載の情報処理装置。
10. The information processing apparatus according to claim 6, wherein the surface of the recording medium is non-conductive.
【請求項11】 請求項1〜4のいずれか1項に記載の
微小変位素子を電気導電体に対向配置し、該微小変位素
子に微小変位素子駆動のための駆動手段と該駆動手段を
制御する制御手段を設け、電気導電体とプローブとの間
に電圧を印加し、トンネル電流の検出結果に基づき、電
気導電体表面の情報を出力することを特徴とするトンネ
ル電流検出装置。
11. A micro-displacement element according to any one of claims 1 to 4 is arranged so as to face an electric conductor, and the micro-displacement element controls a driving means for driving the micro-displacement element and the driving means. A tunnel current detecting device, characterized in that a control means is provided, a voltage is applied between the electric conductor and the probe, and information on the surface of the electric conductor is output based on the detection result of the tunnel current.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100492762B1 (en) * 2002-09-13 2005-06-07 엘지전자 주식회사 Nano data storage device
KR100746768B1 (en) * 2002-03-19 2007-08-06 주식회사 엘지이아이 Apparatus for writing and reading data by using cantilever

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