JPH05231815A

JPH05231815A - 変位素子、及びこれを用いた検出素子、及びこの検出素子を用いた走査型トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、情報処理装置

Info

Publication number: JPH05231815A
Application number: JP4070128A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Yamamoto; 敬介山本; Katsuhiko Shinjo; 克彦新庄; Yasuhiro Shimada; 康弘島田; Osamu Takamatsu; 修高松; Masaru Nakayama; 優中山; Yoshio Suzuki; 義勇鈴木; Takehiko Kawasaki; 岳彦川崎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-02-21
Filing date: 1992-02-21
Publication date: 1993-09-07
Anticipated expiration: 2016-08-27
Also published as: JP3203433B2

Abstract

(57)【要約】【目的】走査型トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡及び
情報処理装置に用いられる高速走査が可能な変位素子、
検出素子を提供する。【構成】Ｓｉ基板上に圧電体膜と一対の電極からなる
両持ち梁状変位素子と、静電駆動用電極とを複数一体形
成した検出素子では、従来のカンチレバー状変位素子よ
りも剛性が高く、かつ、素子の膜厚方向と、Ｓｉ基板面
内方向の同時駆動が可能であり、高速の走査が行える。
また、内部応力による反りを低減した信頼性の高い素子
となり、これを用いたＳＴＭ，ＡＦＭ，情報処理装置で
は、再現性よく、安定にかつ、高速な動作を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
（以下、「ＳＴＭ」と記す）、原子間力顕微鏡（以下、
「ＡＦＭ」と記す）に用いる変位素子及び該変位素子に
プローブを備えた検出素子及び、かかる検出素子を用い
たＳＴＭ，ＡＦＭに関する。

【０００２】さらに本発明は、ＳＴＭの手法により情報
の記録、再生及び消去等を行う、上記検出素子を備えた
高密度大容量の情報処理装置に関する。

【０００３】

【従来の技術】近年半導体プロセス技術を背景にして半
導体を機械的構造体として用いた半導体圧力センサー、
半導体加速度センサー、マイクロアクチュエーター等の
機械的電気素子（マイクロメカニクス）が脚光を浴びる
ようになってきた。

【０００４】かかる素子の特徴として、小型でかつ高精
度の機械機構部品を提供でき、かつ半導体ウエハを用い
るためにＳｉウエハ上に素子と電気回路を一体化できる
ことが挙げられる。また、半導体プロセスをベースに作
製することで、半導体プロセスのバッチ処理による生産
性の向上を期待できる。特に微小変位素子としては、圧
電体薄膜を利用したカンチレバー状（片持ち梁）のもの
が挙げられ、これは非常に微細な動きを制御することが
可能なので、原子レベル、分子レベルを直接観察できる
ＳＴＭ，ＡＦＭに応用されている。例えばスタンフォー
ド大学のクエート等により提案された微小変位素子を用
いたＳＴＭプローブ（ＩＥＥＥＭｉｃｒｏＥｌｅｃ
ｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ，ｐ１
８８−１９９，Ｆｅｂ．１９９０）がある。これは図１
１に示すようにＳｉウエハ１１１のウエハの裏面を一部
除去しシリコンメンブレンを形成し、表面にＡｌ１１２
とＺｎＯ１１３の薄膜を順次積層し、バイモルフのカン
チレバーを形成しその後、裏面より反応性のドライエッ
チによりシリコンメンブレンとウエハ表面のエッチング
の保護層（シリコン窒化膜）を除去して、ＳＴＭプロー
ブ変位用のバイモルフカンチレバーを作製している。こ
のカンチレバーの上面自由端部にトンネル電流検知用プ
ローブを取り付け、良好なＳＴＭ像を得ている。さらに
図１２の様な圧電体１２１と電極１２２を積層し圧電体
を４ブロックに分け、３軸駆動が可能な自由端部にトン
ネル電流を検出するプローブが提案されている。かかる
構成によれば図１３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す様に
各電極間に適当なバイアスをかけることによりＸ，Ｙ，
Ｚ軸の各々単独での駆動は可能となる。例えば、圧電体
にＺｎＯを使用し、その微小変位素子の厚さを５μｍ、
長さを１０００μｍ、幅を２００μｍとした時、１０Ｖ
印加で、その変位量はＸ軸で約２００ｎｍ、Ｙ軸で約２
０ｎｍ、Ｚ軸で約７５００ｎｍである。これはＳＴＭプ
ローブとして３軸駆動が可能でかつ集積化が容易とな
り、優れたものである。

【０００５】一方、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，４ｔｈＩ
ｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏ
ｎＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｒｉｎｇＭｉｃｒ
ｏｓｃｏｐｙ／ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，’８９，Ｓ
１３−３）、及び情報処理装置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
等では大容量を有する記録装置の要求に対してますます
高まっており、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
読み出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。

【０００６】また、ＳＴＭの探針（プローブ）をカンチ
レバーの自由端側に形成し、それぞれ独立に変位するカ
ンチレバーをマルチ化し、さらに半導体プロセスと一体
化して同一基板上にトンネル電流検知用のプローブ付き
カンチレバーと、そのトンネル電流を増幅処理するアン
プ、カンチレバー駆動とトンネル電流の選択のためのマ
ルチプレクサ、シフトレジスタ、等を積載する記録再生
装置が提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のカンチレバーに
よる駆動走査は、片持ち梁であるので、固有振動数があ
まり高くなく、かつ剛性もあまり高くない。また、従来
のカンチレバー構造では３軸駆動が可能であるものの、
駆動のストロークが小さかった。このため、広域な走査
が行えなかった。また、機械的な衝撃等による問題もす
くなからず生じた。また、従来のカンチレバー構造は構
造体がすべて薄膜である。薄膜には、異種の薄膜同士を
接合ないしは、積層すると、薄膜の内部応力が必然的に
発生する。これは異種の薄膜同士の熱膨張係数の違いや
格子定数の違いによって界面に発生すると考えられる。
とりわけ、薄膜（厚さ２μｍ以下）では、この界面に発
生した内部応力が非常に大きな問題となってくる。この
応力値の厳密なコントロールは難しいのが現状である。
このため、薄膜で積層したカンチレバーは、この内部応
力のために、反ってしまうという問題があった。このた
めあまり寸法精度を高められなかった。

【０００８】本発明の目的は、上記素子の剛性を高める
とともに、該素子を膜厚方向とＳｉ基板面内方向の同時
駆動を可能とすることにより、より高速の走査が行える
ようにし、さらには該素子の内部応力による反りをなく
し、寸法精度を高めることにある。

【０００９】また、本発明の目的は、上記素子を用い
た、信頼性の高いＳＴＭ，ＡＦＭ及び、高密度大容量の
情報処理装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明によれ
ば、変位素子をＳｉ基板上に両持ち梁状で形成すること
により剛性を高くでき、かつ、自由端部が存在しないの
で反り量を低く抑えることができる。さらには、該両持
ち梁の長手方向に大きく変位させることができ、圧電体
膜の膜厚方向に静電力によって変位させる手段あるい
は、片持ち梁状変位素子とを組合せることにより、膜厚
方向とＳｉ基板面内方向の同時駆動が可能である。

【００１１】即ち本発明は第一に、圧電体膜と、該圧電
体膜を逆圧電効果により変位させるための電極とを有す
変位素子であって、該素子がＳｉ基板上に自由端部を有
しないように形成され、該Ｓｉ基板面内方向に変位する
ことを特徴とする変位素子であり、また上記変位素子が
Ｓｉ基板上に両持ち梁状で形成され、該両持ち梁の長手
方向に変位、あるいはまたＳｉ基板上に十文字状で形成
され、該Ｓｉ基板面内の２軸方向に変位することを特徴
とする変位素子であり、さらには上記変位素子に、さら
に圧電体膜の膜厚方向に静電力によって変位させるため
の電極、あるいは、圧電体膜と該圧電体膜を逆圧電効果
により該圧電体膜の膜厚方向に変位させるための電極と
を有す片持ち梁状変位素子を設けたことを特徴とする変
位素子である。

【００１２】また本発明は第二に、上記本発明第一の変
位素子にプローブ電極を設けたことを特徴とする走査型
トンネル顕微鏡あるいは原子間力顕微鏡に用いられる検
出素子であり、また上記検出素子を同一基板上に複数設
けたことを特徴とする検出素子である。

【００１３】また本発明は第三に、上記検出素子と、該
検出素子と試料とを相対移動させるための駆動手段と、
該試料と該検出素子との間にバイアス電圧を印加するた
めのバイアス電圧印加手段とを備えたことを特徴とする
走査型トンネル顕微鏡であり、第四に、上記検出素子
と、該検出素子と試料とを相対移動させるための駆動手
段と、該検出素子のたわみ量に応答して変化するトンネ
ル電流を発生させるための手段と、印加電圧に応じて上
記たわみ量を変化させるための制御手段と、上記トンネ
ル電流の値がほぼ所定の一定値になるように上記制御手
段に電圧を印加するための手段とを備えたことを特徴と
する原子間力顕微鏡であり、第五に、上記検出素子と、
該検出素子と記録媒体とを相対移動させるための駆動手
段と、該検出素子と該記録媒体との間に記録用パルス電
圧を印加するためのパルス電圧印加手段と、該検出素子
と該記録媒体との間にバイアス電圧を印加するためのバ
イアス電圧印加手段とを備えたことを特徴とする情報処
理装置である。

【００１４】本発明の上記変位素子においては、駆動用
電極及び圧電体膜の材料及び作製方法は従来公知の技
術、例えば半導体産業で一般に用いられている真空蒸着
法やスパッタ法、化学気相成長法などの薄膜作製技術や
フォトリソグラフ技術及びエッチング技術を適用するこ
とができ、その作製方法は本発明を制限するものではな
い。

【００１５】また、本発明で好適に用いられる情報記録
用の記録媒体としては、電極基板とその上に設けられた
記録層とからなり、しかも電流・電圧特性に於いて、メ
モリースイッチング現象（電気メモリー効果）を持つも
のが利用できる。

【００１６】本発明で言う電気メモリー効果とは、電圧
印加に対応して少なくとも２つ以上の異なる抵抗状態を
示し、各状態間は記録層の導電率を変化させる閾値を越
えた電圧又は電流を印加することにより自由に遷移し、
また得られた各抵抗状態は閾値を越えない電圧又は電流
を印加する限りにおいてその状態を保持し得ることを言
う。

【００１７】記録層を構成する材料の具体例としては、
例えば下記の様なものが挙げられる。

【００１８】（１）酸化物ガラスやホウ酸塩ガラス或い
は周期律表ＩＩＩ，ＩＶ，Ｖ，ＶＩ族元素と化合したＳ
ｅ，Ｔｅ，Ａｓを含んだカルコゲン化物ガラス等のアモ
ルファス半導体が挙げられる。それらは光学的バンドギ
ャップＥｇが０．６〜１．４ｅＶ或いは電気的活性化エ
ネルギー△Ｅが０．７〜１．６ｅＶ程度の真性半導体で
ある。カルコゲン化物ガラスの具体例としては、Ａｓ−
Ｓｅ−Ｔｅ系、Ｇｅ−Ａｓ−Ｓｅ系、Ｓｉ−Ｇｅ−Ａｓ
−Ｔｅ系、例えばＳｉ₁₆Ｇｅ₁₄Ａｓ₅Ｔｅ₆₅（添字は原
子％）、或いはＧｅ−Ｔｅ−Ｘ系、Ｓｉ−Ｔｅ−Ｘ系
（Ｘ＝少量のＶ，ＶＩ族元素）例えばＧｅ₁₅Ｔｅ₈₁Ｓｂ
₂Ｓ₂が挙げられる。

【００１９】さらにはＧｅ−Ｓｂ−Ｓｅ系カルコゲン化
物ガラスも用いることができる。

【００２０】上記化合物を電極上に堆積したアモルファ
ス半導体層において、膜面に垂直な方向にプローブ電極
を用いて電圧を印加することにより媒体の電気メモリー
効果を発現することができる。

【００２１】係る材料の堆積法としては従来公知の薄膜
形成技術で充分本発明の目的を達成することができる。
例えば好適な成膜法としては、真空蒸着法やクラスター
イオンビーム法等を挙げることができる。一般的には、
係る材料の電気メモリー効果は数μｍ以下の膜厚で観測
されているが、均一性、記録性の観点から１μｍ以下の
膜厚のものが良く、さらに５００Å以下の膜厚のものが
より好ましい。

【００２２】記録媒体としての記録分解能の観点からも
記録層はできるだけ薄いことが望ましく、さらに好まし
い膜厚は３０Å〜２００Åの範囲である。

【００２３】（２）さらにはテトラキノジメタン（ＴＣ
ＮＱ）、ＴＣＮＱ誘導体、例えばテトラフルオロテトラ
シアノキノジメタン（ＴＣＮＱＦ₄）、テトラシアノエ
チレン（ＴＣＮＥ）およびテトラシアノナフトキノジメ
タン（ＴＮＡＰ）などの電子受容性化合物と銅や銀など
の還元電位が比較的低い金属との塩を電極上に堆積した
有機半導体層も挙げることができる。

【００２４】係る有機半導体層の形成法としては、銅あ
るいは銀の電極上に前記電子受容性化合物を真空蒸着す
る方法が用いられる。

【００２５】係る有機半導体の電気メモリー効果は、数
十μｍ以下の膜厚のもので観測されているが、成膜性、
均一性の観点から１μｍ以下、更には３０Å〜５００Å
の膜厚のものが好ましい。

【００２６】（３）またさらにはπ電子準位を持つ群と
σ電子準位のみを有する群を併有する分子を電極上に積
層した記録媒体を挙げることができる。

【００２７】本発明に好適なπ電子系を有する色素の構
造としては例えば、フタロシアニン、テトラフェニルポ
ルフィリン等のポルフィリン骨格を有する色素、スクア
リリウム基及びクロコニックメチン基を結合鎖としても
つアズレン系色素及びキノリン、ベンゾチアゾール、ベ
ンゾオキサゾール等の２ケの含窒素複素環をスクアリリ
ウム基及びクロコニックメチン基により結合したシアニ
ン系類似の色素、またはシアニン色素、アントラセン及
びピレン等の縮合多環芳香族、及び芳香環及び複素環化
合物が重合した鎖状化合物及びジアセチレン基の重合
体、さらにはテトラキノジメタン又はテトラチアフルバ
レンの誘導体及びその類縁体及びその電荷移動錯体、ま
たさらにはフェロセン、トリスビピリジンルテニウム錯
体等の金属錯体化合物が挙げられる。

【００２８】以上の如き低分子材料に加えて、各種の高
分子材料を利用することも可能である。

【００２９】例えばポリイミド又はポリフェニレン、ポ
リチオフェン等の縮合重合体、或いはポリペチドやバク
テリオロドプシン等の生体高分子材料を挙げることがで
きる。

【００３０】有機記録媒体の形成に関しては、具体的に
は蒸着法やクラスターイオンビーム法等の適用も可能で
あるが、制御性、容易性そして再現性から公知の従来技
術の中ではＬＢ法が極めて好適である。

【００３１】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明を具体的に詳述
する。

【００３２】実施例１図１（ａ）に本実施例の検出素子の斜視図を示す。これ
は、Ｓｉ基板上に、通常のＩＣ作製プロセスとＳｉの異
方性エッチングとにより作製したものであり、Ｓｉ基板
４上に一対の電極をもつ両持ち梁状変位素子１と情報入
出力用プローブ２と静電駆動用電極３とが図のように配
置されている。図示していないが、Ｓｉ基板４上に検出
素子の動作用回路および信号処理回路等のＩＣが搭載さ
れている。両持ち梁状変位素子１を動作させることによ
って、図示したＹ軸方向に走査することができ、静電駆
動用電極３を動作することにより、両持ち梁状変位素子
１の中心部をＺ軸方向に走査することができる。図１
（ａ）のＡ−Ａ断面の模式図を図１（ｂ）に示す。両持
ち梁状変位素子１は異方性エッチングによりくり貫かれ
たＳｉ基板４上に形成され、圧電体に電圧を印加するた
めの共通電極７および２分割された圧電体駆動用電極５
ａ、５ｂおよび圧電体膜６が積層されている。この両持
ち梁状変位素子１の中心部にプローブ２が形成されてい
る。この構成によるとプローブ２はＹ軸方向にアクチュ
エートすることができる。例えば図１（ｂ）の様に圧電
体膜６にかける電圧を２分割された圧電体駆動用電極５
ａで圧電体膜６が伸びるように、電極５ｂを縮む様に電
圧をそれぞれ印加すると結果的にプローブ電極２はＹ軸
の方向へ変位する。

【００３３】また共通電極７と静電駆動用電極３とに電
圧を印加すると、静電力によりＺ軸を走査することがで
きる。

【００３４】このような構成によってプローブ２をＸ，
Ｚ軸に大きく走査することができる。

【００３５】次に上述の検出素子の作製方法を説明す
る。図２は本実施例の検出素子の製造工程を示す図であ
る。（１００）ｎ型Ｓｉ基板２１の表面にＬＰＣＶＤ装
置（低圧ＣＶＤ装置）でＳｉ₃Ｎ₄膜２３を１０００
Å成膜してパターニングし（図２（ａ））、ＫＯＨ水溶
液等を用いＳｉ₃Ｎ₄膜２２をマスクとし将来、静電駆
動時におけるギャップとなる領域２３の異方性エッチン
グを行う（図２（ｂ））。次に、表面にＡｌ等の静電駆
動用電極３を成膜してパターニングする（図２
（ｃ））。次に、犠牲層２４を成膜する。本実施例にお
いてはスパッタ法によるＺｎＯを用いた（図２
（ｄ））。この後、イオンミリングにより表面の凹凸を
除去し平滑にした（図２（ｅ））。次に、Ｐｔ等の圧電
体駆動用電極２５を１０００Å成膜しパターニングとエ
ッチングにより形成し、ＰＺＴのような圧電体膜２６を
スパッタで３０００Å成膜し、パターニングを繰り返
す。次にリフトオフ法によりプローブ２を形成する（図
２（ｆ））。次に、ポリイミド等で表面のプローブ２等
を保護し、犠牲層２４のＺｎＯを酸でエッチングして除
去し、最後にポリイミドを除去する（図２（ｇ））。

【００３６】この様にして作製した検出素子は両持ち梁
構造をもっているので、圧電体薄膜形成時や、電極薄膜
形成時の内部応力が残留していても大きな反りは発生し
なかった。さらに、寸法精度を高めるためには、この両
持ち梁状変位素子の構成薄膜材料が全体として、引っ張
り応力であることが好ましい。

【００３７】作製した検出素子の寸法および性能につい
ては、以下の通り、圧電体薄膜：ＰＺＴ薄膜０．３μｍ圧電体電極：Ｐｔ薄膜０．１μｍ両持ち梁状変位素子長さ：１０００μｍ両持ち梁状変位素子幅：２００μｍ静電用ギャップ間距離：５μｍＹ軸変位量：０．３２×Ｖ１ μｍ（Ｖ１：圧電体印加
電圧（Ｖ））Ｚ軸変位量：０．２×Ｖ２² μｍ（Ｖ２：静電駆動印
加電圧（Ｖ））Ｚ軸固有振動数：１７．５ＫＨｚ機械的Ｑ値：１００この様に、Ｙ，Ｚ軸に大きく走査できるとともに、高速
応答性、ならびに剛性の高い検出素子を形成することが
できた。さらに所望の応答性ならびに剛性を必要とする
場合は、両持ち梁状変位素子の長さを変えたり、圧電体
膜の材料を変えたり、厚さを変える等の設計を行えばよ
い。本実施例では圧電体膜としてＰＺＴを用いたが、こ
れは、ＺｎＯやＡｌＮ、Ｔａ₂Ｏ₅、ＰＬＺＴ、等の他
の圧電材料でも構わない。さらに電極としてＰｔを用い
たが、Ａｕ、Ｐｄ、Ｔｉ等の材料でも構わない。犠牲層
として、ＺｎＯを選んだが、Ｐｏｌｙ−Ｓｉやポリイミ
ド等のエッチングの容易な材料であれば何を選んでも良
い。

【００３８】図３は複数の上記検出素子をＳｉ基板上に
一体形成した時の斜視図を示したものである。これには
Ｓｉ基板４上に両持ち梁状変位素子１、プローブ２のほ
かトンネル電流増幅器３１と複数の検出素子の動作の各
種制御や情報を転送することのできるＩＣ３２が搭載さ
れている。これは電極パット３３に引き出される。

【００３９】また、図３の検出素子を用いたＳＴＭ装置
を作製した。この装置のブロック図を図４に示す。

【００４０】本装置では、まず図中４１の本実施例で作
製した検出素子にて、４２の試料に、２のプローブを近
づけたのち（図中Ｚ方向）、試料４２面内のＸ、Ｙ方向
を、４３のＸ−Ｙステージにて走査し、プローブ２と試
料４２間に、４４のバイアス電圧印加回路により電圧を
加え、このとき観察されるトンネル電流を、４５のトン
ネル電流増幅回路で読み出し、像観察を行う。

【００４１】また、試料４２とプローブ２の間隔制御と
Ｘ−Ｙステージの駆動制御は４６の駆動制御回路にて行
い、これらの回路のシーケンス制御は４７のＣＰＵにて
行う。図には示していないが、Ｘ−Ｙステージ４３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、
平行バネ、差動マイクロメータ、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。

【００４２】この装置にて、試料４２にＨＯＰＧ（グラ
ファイト）板を用いて表面観察を行った。バイアス電圧
印加回路４４にて２００ｍＶの直流電圧をプローブ２と
試料４２の間に加えた。この状態で試料４２に沿ってプ
ローブ２を走査してトンネル電流検出回路４５を用いて
検出される信号より表面観察を行った。スキャンエリア
を０．０５μｍ×０．０５μｍとして観察したところ、
良好な原子像を得ることができた。

【００４３】本発明の検出素子は、剛性も高く、固有振
動数を高くとれるので、高速にＳＴＭ像を安定して得る
ことができる。上述のように本発明の検出素子を使って
も良好な走査型トンネル顕微鏡を得ることができる。

【００４４】図５は、図３の検出素子を用いたＡＦＭ装
置のブロック図であり、図４で示したＳＴＭとしての装
置を改良し、プローブ２を力検出用プローブとして用い
たものである。この力検出プローブ２と試料４２との間
に働く原子間力を測定し、その大きさを一定にするよう
にフィードバックをかけて、試料表面の構造を得ること
ができる。この場合、検出素子４１の両持ち梁（ビー
ム）の変位量を測定するビーム変位量測定装置４８は、
各種のものが知られているが、光てこ方式や静電検出方
式等が好適である。ＡＦＭでは、トンネル電流を測定し
ていないので、ＳＴＭにおけるバイアス電圧印加回路や
トンネル電流検出回路等は必要ではないが、その他の同
一の符号を付した部材に関しては先のＳＴＭと同様であ
る。

【００４５】ＡＦＭの実験についても試料４２にＨＯＰ
Ｇ（グラファイト）板を用いて表面観察を行った。これ
についても良好な原子像を得ることができた。

【００４６】図６は本発明の検出素子を用いた情報処理
装置の構成図およびブロック図を示している。構造体６
０８の内部には本実施例の検出素子６０１の両持ち梁状
変位素子６０２、プローブ６０３およびそれらを制御す
るＩＣ６１７が傾き補正機構６０６に取り付けられ、こ
れに対向して記録媒体の基板６０５および記録媒体６０
４がＸＹ走査機構６０７を介して取り付けられている。
ＸＹ走査機構６０７はＸＹ走査駆動回路６０９に接続さ
れ、検出素子６０１はプローブ６０３、媒体間制御回路
６１３を介して、マトリクスプローブ制御回路６１０、
検出素子走査駆動回路６１１、傾き補正回路６１２に接
続されている。またマトリクスプローブ制御回路６１０
はデータの入出力を行う符号器６１４ａ、復号器６１４
ｂとに接続されている。

【００４７】これらはマイクロコンピューター６１５と
接続してあり、表示装置６１６で情報の内容を確認でき
る。

【００４８】ここで、書き込みデータは符号器６１４ａ
により符号化され、マトリクスプローブ制御回路６１０
に転送し、検出素子６０１を駆動し記録媒体６０４に書
き込む。データを読みだす時には、マイクロコンピュー
ター６１５により読みだすべきアドレスを発生し、マト
リクスプローブ制御回路６１０を駆動する。マトリクス
プローブ制御回路６１０はこのアドレスに従って検出素
子６０１からの複数の各プローブ６０３からの信号を読
みだし、復号器６１４ｂに転送する。

【００４９】復号器６１４ｂはこの信号からエラー検出
または、エラー訂正を行いデータを出力する。

【００５０】マトリクスプローブ制御回路６１０によ
り、各プローブ電極に流れるトンネル電流の情報を直接
読みだし、プローブ、媒体間距離制御回路６１３により
基準位置からのずれを検出し、個々のプローブ６０３の
Ｚ方向制御は検出素子走査駆動回路６１１により制御
し、検出素子６０１の姿勢を正す必要がある場合は傾き
補正回路６１２により行う。

【００５１】図６（ｂ）は本情報処理装置での記録再生
をする様子を示したものである。検出素子６０１と記録
媒体６０４とを対向させる。尚、記録媒体６０４には、
ガラス基板６０５上にＡｕ電極を１００ｎｍ真空蒸着し
たものを用いた。まずプローブ６０３とＡｕ電極からな
る記録媒体６０４とに電圧０．５Ｖ印加する。次にプロ
ーブ６０３と記録媒体６０４との間のトンネル電流値が
１ｎＡ程度になるように静電駆動用電極３に電圧をか
け、プローブ２をＺ軸に変位させる。その後、記録媒体
に摂動を加え、選択的に乱れを生じさせるために、５Ｖ
のパルス電圧（１μｓｅｃ）を加えると記録ビット６１
８が形成される。その後、圧電体に電圧を印加し両持ち
梁状変位素子６０２によりＸ方向に走査し、記録ビット
を次々と記録していく。次にこの記録ビットの再生方法
は、トンネル電流値が一定になるように、静電駆動用電
極３に電圧を制御し、この静電駆動用電極をかけた電圧
を判断することによって、記録ビットの有無を判断する
ことができる。

【００５２】本実施例の情報処理装置により、記録情報
の書き込み、読み出し、消去を再現性よく安定にかつ高
速に行えることが確認できた。

【００５３】実施例２本実施例では、本発明の検出素子の他の態様を示す。実
施例１と違う点は検出素子がＸ，Ｙ，Ｚの３軸に走査す
ることにある。

【００５４】図７は、本実施例の検出素子の斜視図であ
る。実施例１と同様にＳｉ基板４上に形成され、圧電体
に電圧を印加するための共通電極７および４分割された
圧電体駆動用電極７１および圧電体膜６が積層されてな
る両持ち梁状変位素子１とプローブ２があり、中心部に
走査し易い様にヒンジ７０を有している。４分割された
圧電体駆動用電極７１にそれぞれ任意の電圧を印加する
ことによって、Ｘ軸にも走査することができるのが本実
施例の特徴である。この検出素子を用いたＳＴＭ，ＡＦ
Ｍ及び情報処理装置においても実施例１と同様な結果が
得られた。

【００５５】実施例３本実施例では、本発明の検出素子の他の態様を示す。図
８は本実施例の検出素子の斜視図である。これは実施例
１、２の検出素子と同様の構成でＳｉ基板４上に形成さ
れた直交する十文字型の両持ち梁状変位素子８０でＸ
軸、Ｙ軸を走査するとともに、静電駆動用電極３により
Ｚ軸を走査するものである。このような構成でも集積化
に適することはいうまでもない。また、この検出素子を
用いたＳＴＭ，ＡＦＭ及び情報処理装置においても実施
例１と同様な結果が得られた。

【００５６】実施例４本実施例では、本発明の検出素子の他の態様を示す。図
９は本実施例の検出素子の斜視図である。

【００５７】これは両持ち梁状変位素子１，１’を動作
させることによって、ビーム９１を支点としてプローブ
２をＸ軸に走査することができる。図９（ａ）のＡ−Ａ
断面の模式図を図９（ｂ）に示す。片持ち梁状変位素子
９２はＳｉでできているビーム９１の上に形成し、圧電
体膜に電圧を印加するための下部電極９３および中電極
９４、上部電極９５と圧電体膜９６、９７が積層されて
構成されている。この構成によるとバイモルフ圧電素子
としてＺ軸方向にアクチュエートすることができる。こ
の片持ち梁状変位素子９２の自由端部にプローブ２が形
成されている。電源９８より圧電体駆動用電極に電圧を
かけると例えば図示のように圧電体膜９６は伸び、圧電
体薄膜９７は縮む。この結果プローブ２は図示した方向
に上がる。次に図９（ａ）のＢ−Ｂ断面の模式図を図９
（ｃ）に示す。これは中心部に片持ち梁状変位素子９２
があり両脇に両持ち梁状変位素子１，１’が形成されて
いる。電源９９，９９’により圧電体駆動用電極に電圧
を印加すると、例えば図示のように片持ち梁状変位素子
９２は変位することができる。

【００５８】このような構成においてはプローブ２を
Ｘ，Ｚ軸に大きく走査することができる。

【００５９】この検出素子を用いたＳＴＭ，ＡＦＭ及び
情報処理装置においても、実施例１と同様な結果が得ら
れた。

【００６０】実施例５本実施例では、本発明の検出素子の他の態様を示す。実
施例４と違う点は両持ち梁状変位素子で複数の片持ち梁
状変位素子をＸ軸走査することにある。

【００６１】図１０は、本実施例の検出素子の斜視図で
ある。実施例４と同様にＳｉ基板４上に複数の片持ち梁
状変位素子９２とプローブ２があり、両持ち梁状変位素
子１によりビーム９１を支点に形成されている。両持ち
梁状変位素子１に電圧を印加することにより片持ち梁状
変位素子９２をＸ軸に走査することができる。この検出
素子を用いたＳＴＭ，ＡＦＭ及び情報処理装置において
も実施例１と同様な結果が得られた。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の変位素子
では、Ｓｉ基板上に両持ち梁状で形成することにより、
従来のカンチレバー状変位素子よりも剛性を高め、ま
た、該素子の膜厚方向とＳｉ基板面内方向の同時駆動を
可能にしたことにより、より高速の走査が行える。

【００６３】また、自由端の存在しない本発明の変位素
子では、内部応力による反りを低減でき、より信頼性の
高い素子となった。

【００６４】さらに本発明の検出素子を用いたＳＴＭ，
ＡＦＭでは、より高速に表面観察を行うことができ、良
好な原子像を得ることが可能となった。

【００６５】またさらには、本発明の検出素子を用いた
情報処理装置では、記録情報の書き込み、読み出し、消
去を再現性よく安定に、かつ、より高速に行えることが
可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の検出素子の一例を示す図である。

【図２】本発明の検出素子の製造工程を示す図である。

【図３】複数の検出素子をＳｉ基板上に一体形成した時
の斜視図である。

【図４】本発明のＳＴＭ装置のブロック図である。

【図５】本発明のＡＦＭ装置のブロック図である。

【図６】本発明の情報処理装置の構成図及びブロック図
である。

【図７】本発明の検出素子の他の態様を示す斜視図であ
る。

【図８】本発明の検出素子の他の態様を示す斜視図であ
る。

【図９】本発明の検出素子の他の態様を示す斜視図であ
る。

【図１０】本発明の検出素子の他の態様を示す斜視図で
ある。

【図１１】従来のバイモルフカンチレバー型プローブの
斜視図である。

【図１２】従来のバイモルフカンチレバー型プローブの
構成を示す断面図である。

【図１３】従来のバイモルフカンチレバー型プローブの
駆動を説明するための図である。

【符号の説明】

１両持ち梁状変位素子２プローブ３静電駆動用電極４Ｓｉ基板５ａ，５ｂ２分割された圧電体駆動用電極６圧電体膜７共通電極２１（１００）ｎ型Ｓｉ基板２２Ｓｉ₃Ｎ₄膜２３静電駆動時のギャップとなる領域２４犠牲層２５圧電体駆動用電極３１トンネル電流増幅器３２ＩＣ３３電極パット４１検出素子４２試料４３Ｘ−Ｙステージ４４バイアス電圧印加回路４５トンネル電流検出回路４６駆動制御回路４７ＣＰＵ４８ビーム変位量測定装置６０１検出素子６０２両持ち梁変位素子６０３プローブ６０４記録媒体６０５記録媒体の基板６０６傾き補正機構６０７ＸＹ走査機構６０８構造体６０９ＸＹ走査駆動回路６１０マトリクスプローブ制御回路６１１検出素子走査駆動回路６１２傾き補正回路６１３媒体間制御回路６１４ａ符号器６１４ｂ復号器６１５マイクロコンピューター６１６表示装置６１７ＩＣ６１８記録ビット７０ヒンジ８０十文字型の両持ち梁状変位素子９１ビーム９２片持ち梁状変位素子９３下部電極９４中電極９５上部電極９６，９７圧電体膜９８，９９，９９’ 電源１１１Ｓｉウエハ１１２Ａｌ１１３ＺｎＯ１２１圧電体１２２電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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)発明者鈴木義勇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)発明者川崎岳彦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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体膜と、該圧電体膜を逆圧電効果に
より変位させるための電極とを有す変位素子であって、
該素子がＳｉ基板上に自由端部を有しないように形成さ
れ、該Ｓｉ基板面内方向に変位することを特徴とする変
位素子。
【請求項２】請求項１記載の変位素子がＳｉ基板上に
両持ち梁状で形成され、該両持ち梁の長手方向に変位す
ることを特徴とする変位素子。
【請求項３】請求項１記載の変位素子が、Ｓｉ基板上
に十文字状で形成され、該Ｓｉ基板面内の２軸方向に変
位することを特徴とする変位素子。
【請求項４】請求項１〜３記載の変位素子に、さらに
圧電体膜の膜厚方向に静電力によって変位させるための
電極を設けたことを特徴とする変位素子。
【請求項５】請求項１〜３記載の変位素子に、圧電体
膜と該圧電体膜を逆圧電効果により該圧電体膜の膜厚方
向に変位させるための電極とを有す片持ち梁状変位素子
を組み合せたことを特徴とする変位素子。
【請求項６】請求項１〜５記載の変位素子にプローブ
電極を設けたことを特徴とする検出素子。
【請求項７】請求項６記載の検出素子を同一基板上に
複数設けたことを特徴とする検出素子。
【請求項８】請求項６又は７記載の検出素子と、該検
出素子と試料とを相対移動させるための駆動手段と、該
試料と該検出素子との間にバイアス電圧を印加するため
のバイアス電圧印加手段とを備えたことを特徴とする走
査型トンネル顕微鏡。
【請求項９】請求項６又は７記載の検出素子と、該検
出素子と試料とを相対移動させるための駆動手段と、該
検出素子のたわみ量に応答して変化するトンネル電流を
発生させるための手段と、印加電圧に応じて上記たわみ
量を変化させるための制御手段と、上記トンネル電流の
値がほぼ所定の一定値になるように上記制御手段に電圧
を印加するための手段とを備えたことを特徴とする原子
間力顕微鏡。
【請求項１０】請求項６又は７記載の検出素子と、該
検出素子と記録媒体とを相対移動させるための駆動手段
と、該検出素子と該記録媒体との間に記録用パルス電圧
を印加するためのパルス電圧印加手段と、該検出素子と
該記録媒体との間にバイアス電圧を印加するためのバイ
アス電圧印加手段とを備えたことを特徴とする情報処理
装置。