JPH0552507A - Cantilever-type actuator, and scanning tunneling electron microscope and information processing device using the same - Google Patents

Cantilever-type actuator, and scanning tunneling electron microscope and information processing device using the same

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JPH0552507A
JPH0552507A JP3240227A JP24022791A JPH0552507A JP H0552507 A JPH0552507 A JP H0552507A JP 3240227 A JP3240227 A JP 3240227A JP 24022791 A JP24022791 A JP 24022791A JP H0552507 A JPH0552507 A JP H0552507A
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JP
Japan
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cantilever
type actuator
thin film
piezoelectric body
cantilever type
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JP3240227A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshio Suzuki
義勇 鈴木
Keisuke Yamamoto
敬介 山本
Takehiko Kawasaki
岳彦 川崎
Yutaka Hirai
裕 平井
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Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To achieve a flexed displacement of a cantilever portion 2 without any elastic body of different substances by allowing a piezoelectric body of a same substance to be two layers with different electrical resistivity in a direction of film thickness. CONSTITUTION:A lower electrode 2 is formed on a substrate 1 and ZnO thin film as a piezoelectric body is used on it. An electrical resistivity is changed due to application of voltage and the electrical resistivity can be changed greatly under growth conditions. Therefore, a low-resistance piezoelectric body 3a and a high-resistance piezoelectric body 3b are constituted in film-thickness direction of the ZnO thin film. An upper electrode 4 is formed on it, thus enabling an unneeded portion to be eliminated. Further, the substrate 1 is etched and a cantilever portion 6 can be formed. In this manner, by changing electrical characteristics of the piezoelectric material Zn thin film in film thickness direction, a portion where deformation is large and a portion where deformation is small in thickness direction of the piezoelectric body are generated, thus enabling a flexed displacement to be generated at a cantilever portion 6 even if there are no elastic bodies due to different substances.

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、薄膜圧電体と薄膜電極
を積層して構成されるカンチレバー型アクチュエータ及
びそれを用いた情報処理装置等に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cantilever type actuator formed by laminating a thin film piezoelectric material and a thin film electrode, and an information processing device using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の薄膜圧電体を用いたカンチレバー
型アクチュエータの例を図9に示す。図9(b)は図9
(a)中のA−A面における断面図である。図に示すよ
うに、弾性体30上へ下部電極2を形成し、その上へ圧
電体3を設け、更にこの上に上部電極4を積層した形の
ものが広く知られている。
2. Description of the Related Art An example of a conventional cantilever type actuator using a thin film piezoelectric material is shown in FIG. 9 (b) is shown in FIG.
It is sectional drawing in the AA surface in (a). As shown in the figure, there is widely known a structure in which a lower electrode 2 is formed on an elastic body 30, a piezoelectric body 3 is provided on the lower electrode 2, and an upper electrode 4 is further laminated thereon.

【0003】これは、前記2枚の上部,下部電極2,4
に電圧を印加したとき発生する電界に対して垂直方向の
変形、即ちd31(圧電定数)で規定される圧電効果をカ
ンチレバー部6の屈曲運動に変換するものである。
These are the upper and lower electrodes 2 and 4 of the two sheets.
This is to transform the deformation in the direction perpendicular to the electric field generated when a voltage is applied, that is, the piezoelectric effect defined by d 31 (piezoelectric constant) into bending motion of the cantilever portion 6.

【0004】即ち圧電体3が伸長または短縮することに
より、弾性体30との間に長さの差が生じ、カンチレバ
ー部6が屈曲変位する。
That is, when the piezoelectric body 3 expands or contracts, a difference in length occurs between the piezoelectric body 3 and the elastic body 30, and the cantilever portion 6 is bent and displaced.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、屈曲変位を発生させるために弾性体30が必
要であり、この弾性体と圧電体層の熱膨張係数の違いに
より、カンチレバー部に反りが発生する場合があり、位
置決め精度の低下、精密駆動の妨げとなっていた。
However, in the above-mentioned conventional example, the elastic body 30 is necessary to generate the bending displacement, and the cantilever portion is warped due to the difference in thermal expansion coefficient between the elastic body and the piezoelectric layer. Sometimes occurs, which deteriorates the positioning accuracy and hinders precision driving.

【0006】すなわち、本発明の目的とするところは、
かかる点を解消し得るカンチレバー型アクチュエータ、
及びこれを用いた走査型トンネル電子顕微鏡、情報処理
装置を提供することにある。
That is, the object of the present invention is to
A cantilever type actuator capable of eliminating such a point,
Another object of the present invention is to provide a scanning tunnel electron microscope and an information processing device using the same.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
するための本発明の構成は、薄膜圧電体と薄膜電極とを
積層したカンチレバー型アクチュエータにおいて、上下
の電極に挟まれた圧電体層が膜厚方向に電気抵抗率の異
る2つの層より構成されているカンチレバー型アクチュ
エータ、としている点にある。
The structure of the present invention for achieving the above object is a cantilever type actuator in which a thin film piezoelectric material and a thin film electrode are laminated, in which a piezoelectric material layer sandwiched between upper and lower electrodes is used. It is a cantilever type actuator composed of two layers having different electrical resistivities in the film thickness direction.

【0008】即ち、圧電体を膜厚方向で低抵抗の圧電体
層と高抵抗の圧電体層により構成する。このことによ
り、電圧を印加した場合の電界強度が両者で異なり、よ
って高抵抗の圧電体層の変位の方が大きくなり、屈曲変
位が発生する。
That is, the piezoelectric body is composed of a low-resistance piezoelectric layer and a high-resistance piezoelectric layer in the film thickness direction. As a result, the electric field strength when a voltage is applied is different between the two, and therefore the displacement of the high-resistance piezoelectric layer becomes larger and bending displacement occurs.

【0009】つまり、圧電体として用いる材料の電気特
性を膜厚方向で変化させることにより、圧電体の厚さ方
向で変形の大きい部分と小さい部分とを生じさせ、異る
物質による弾性体がなくてもカンチレバーに屈曲変位を
生じさせることが可能となった。
That is, by changing the electric characteristics of the material used as the piezoelectric body in the film thickness direction, a portion having a large deformation and a portion having a small deformation are generated in the thickness direction of the piezoelectric body, and there is no elastic body due to different substances. Even now, it becomes possible to cause bending displacement of the cantilever.

【0010】また、このようなカンチレバー型アクチュ
エータの先端部に鋭利な尖端を有する導電性のプローブ
(探針)と、それに電気的に接続された引出し電極を設
けることにより、小型の走査型トンネル電子顕微鏡(S
TM)のカンチレバー型プローブを提供することができ
る。
Further, by providing a conductive probe (probe) having a sharp tip at the tip of such a cantilever type actuator and an extraction electrode electrically connected thereto, a small scanning tunnel electron is provided. Microscope (S
(TM) cantilever type probes can be provided.

【0011】また、前記のプローブは同一基板上へ高い
寸法精度、かつ、均一な特性を有した状態で複数集積化
することが可能であり、これによりマルチプローブを有
するSTM装置を実現できる。
Further, it is possible to integrate a plurality of the above-mentioned probes on the same substrate in a state having high dimensional accuracy and uniform characteristics, whereby an STM device having multiple probes can be realized.

【0012】また、電圧印加により電気抵抗率の変化す
る媒体をSTMの観察対象とすることにより、大容量・
高密度の情報処理装置を提供することができる。
Further, by observing a medium whose electric resistivity changes by applying a voltage as an STM observation object, a large capacity
A high-density information processing device can be provided.

【0013】本発明で用いている酸化亜鉛(ZnO)薄
膜は、従来より圧電性薄膜材料として広く知られている
が、近年透明導電膜としての用途が広がっている。
The zinc oxide (ZnO) thin film used in the present invention has been widely known as a piezoelectric thin film material, but its use as a transparent conductive film has been widespread in recent years.

【0014】かかるZnOは、六方晶ウルツァイト型の
結晶構造をなし、結晶成長の際分極軸であるC軸が、基
板に対して垂直に配向し易い性質がある。
Such ZnO has a hexagonal wurtzite type crystal structure, and the C axis which is the polarization axis during crystal growth tends to be oriented perpendicular to the substrate.

【0015】また、II−VI族化合物半導体の一種で
あるため、成長条件や価電子制御等により、その電気抵
抗率を大きく変化させることができる。
Further, since it is a kind of II-VI group compound semiconductor, its electrical resistivity can be greatly changed by growth conditions, valence electron control and the like.

【0016】以下、本発明で用いられる高抵抗のZnO
薄膜と低抵抗のZnO薄膜の作製条件及び電気特性につ
いて説明する。 (1)成膜装置としては、高周波マグネトロンスパッタ
装置を用い、ターゲットとして直径200mmの酸化亜
鉛焼結体を用いる。 (2)下地基板は、表面にSi34 の保護膜を150
0Å減圧CVD法で形成した、Si(100)単結晶基
板を使用した。この上に、下地電極としてCr薄膜(1
0Å)Au薄膜(1000Å)を真空蒸着により形成し
た。Cr薄膜は基板表面のSi34 とAuとの密着性
を確保するために形成する。Au薄膜は蒸着条件を調節
し、高度に(111)配向した膜である。このような下
地を用いるとAuの(111)面の3回対称軸上へZn
Oの6回対称軸(C軸)が成長し易く、C軸配向度の高
いZnO薄膜が得られる。 (3)上記の基板を、ターゲット面と平行にセットし、
基板を200℃に加熱し、ZnOを成長させた。 (4)ZnOの成長速度は約2Å/secとして、この
時の高周波出力は350〜400Wとなった。 (5)スパッタガスはO2 とArを1対1の割合で導入
し、ZnO成膜中の全圧力は5〜30mtorrとし
た。 (6)低抵抗率のZnO成膜の際は、Al製のリング状
のワイヤーをターゲットの5mm上方に配した。Al製
のリングの径は150mmとし、ターゲット表面の最も
侵蝕の激しい円周状の領域上方に均等に配するようにし
た。 (7)ZnO膜を成長させた後、その上に真空蒸着によ
り再びAuを1000Å形成して上部電極とし、電気特
性の測定を行った。
The high resistance ZnO used in the present invention will be described below.
The preparation conditions and electrical characteristics of the thin film and the low-resistance ZnO thin film will be described. (1) A high frequency magnetron sputtering apparatus is used as the film forming apparatus, and a zinc oxide sintered body having a diameter of 200 mm is used as the target. (2) The base substrate is provided with a protective film of Si 3 N 4 on its surface.
A Si (100) single crystal substrate formed by the 0Å low pressure CVD method was used. On top of this, a Cr thin film (1
A 0Å) Au thin film (1000Å) was formed by vacuum evaporation. The Cr thin film is formed to secure the adhesion between Si 3 N 4 and Au on the substrate surface. The Au thin film is a film that is highly (111) oriented by controlling the deposition conditions. When such an underlayer is used, Zn is added onto the 3-fold symmetry axis of the (111) plane of Au.
The 6-fold symmetry axis (C axis) of O easily grows, and a ZnO thin film having a high degree of C axis orientation can be obtained. (3) Set the above substrate parallel to the target surface,
The substrate was heated to 200 ° C. to grow ZnO. (4) The growth rate of ZnO was about 2Å / sec, and the high frequency output at this time was 350 to 400W. (5) O 2 and Ar were introduced into the sputtering gas at a ratio of 1: 1 and the total pressure during the ZnO film formation was set to 5 to 30 mtorr. (6) When forming a ZnO film having a low resistivity, a ring-shaped wire made of Al was placed 5 mm above the target. The diameter of the Al ring was set to 150 mm, and the rings were evenly arranged above the circumferential area of the target surface where corrosion was most severe. (7) After the ZnO film was grown, 1000 Å Au was again formed on the ZnO film by vacuum vapor deposition to form an upper electrode, and the electrical characteristics were measured.

【0017】上記のようにして作製した高抵抗サンプル
と低抵抗サンプルの代表的な電気特性を図8に示す。A
lをドーピングした場合とノンドープの場合の電気抵抗
率の変化を、スパッタ全圧に対してプロットしたもので
ある。グラフから分るように、AlをドーピングしたZ
nO膜の抵抗率がノンドープのもの10-6〜10-10
となっている。
Typical electrical characteristics of the high resistance sample and the low resistance sample produced as described above are shown in FIG. A
It is a graph in which the change in electrical resistivity in the case of doping with 1 and in the case of not doping is plotted against the total pressure of sputtering. As you can see from the graph, Z doped with Al
The resistivity of the nO film is 10 −6 to 10 −10 times that of the non-doped one.

【0018】このようなドーピングにより、抵抗値の大
きく異る性質を利用することで、ZnO薄膜の厚さ方向
に高抵抗率の層と低抵抗率の層を形成することができ
る。
By utilizing the property that the resistance values greatly differ by such doping, it is possible to form a high resistivity layer and a low resistivity layer in the thickness direction of the ZnO thin film.

【0019】[0019]

【実施例】以下、実施例にて本発明を具体的に説明す
る。
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples.

【0020】[実施例1]図1は、本発明の特徴を最も
良く表わすカンチレバー型アクチュエータの構成図であ
る。尚、図1(b)は図1(a)中のA−A面における
断面図である。本図において、1はSi単結晶基板、2
は金属薄膜からなる下部電極、3aは圧電体であり、低
抵抗率のZnO薄膜である。3bも同じく圧電体であ
り、圧電体3aに比べ大きな抵抗率を持つZnO薄膜で
ある。4は金属薄膜からなる上部電極である。本図に示
すように、下部電極2および上部電極4は、基板1上で
それぞれ別々に露出されており、この部分を通じて電圧
印加ができるようになっている。
[Embodiment 1] FIG. 1 is a configuration diagram of a cantilever type actuator that best represents the features of the present invention. Incidentally, FIG. 1B is a sectional view taken along the line AA in FIG. In this figure, 1 is a Si single crystal substrate, 2
Is a lower electrode made of a metal thin film, and 3a is a piezoelectric body, which is a low resistivity ZnO thin film. 3b is also a piezoelectric body, and is a ZnO thin film having a larger resistivity than the piezoelectric body 3a. Reference numeral 4 is an upper electrode made of a metal thin film. As shown in the figure, the lower electrode 2 and the upper electrode 4 are separately exposed on the substrate 1, and a voltage can be applied through this portion.

【0021】また、圧電体3a,3bは、その分極軸方
向である結晶C軸が、矢印5の方向に配向成長してあ
る。以上のような構成により、カンチレバー部6が構成
されている。
Further, the piezoelectric bodies 3a and 3b have crystal C axes, which are the polarization axis directions thereof, oriented and grown in the direction of arrow 5. The cantilever portion 6 is configured by the above configuration.

【0022】次に、図2を用いて本発明によるカンチレ
バー型アクチュエータの動作原理を示す。下部電極2と
上部電極4に電圧E0 を加えた場合、圧電体層3a,3
bの抵抗率の違いのため、電圧の大部分は高抵抗の圧電
体3bに加わることになる。このため、圧電体横効果d
31による伸長は圧電体3bの方が大きくなり、このため
カンチレバー部6に屈曲変形が生じ、カンチレバー部6
は点線7で示すように変形する。
Next, the operation principle of the cantilever type actuator according to the present invention will be described with reference to FIG. When a voltage E 0 is applied to the lower electrode 2 and the upper electrode 4, the piezoelectric layers 3a, 3
Most of the voltage is applied to the high-resistance piezoelectric body 3b due to the difference in the resistivity of b. Therefore, the piezoelectric lateral effect d
The extension due to 31 becomes larger in the piezoelectric body 3b, so that the cantilever portion 6 is bent and deformed, and the cantilever portion 6 is bent.
Deforms as shown by the dotted line 7.

【0023】電圧の印加方向を逆にした場合も、上記と
同様に大部分の電圧は高抵抗率の圧電体3bに加わり、
前記とは逆向きの圧電体横効果d31による横方向の収縮
が圧電体3bの方が大きくなり、カンチレバー部6は前
記とは逆向きに屈曲変形する。
Even when the voltage application direction is reversed, most of the voltage is applied to the high-resistivity piezoelectric body 3b in the same manner as described above,
The contraction in the lateral direction due to the piezoelectric body lateral effect d 31 in the opposite direction to that described above is larger in the piezoelectric body 3b, and the cantilever portion 6 is bent and deformed in the opposite direction.

【0024】以上説明したように、同一物質よりなる圧
電体3a,3bを低抵抗層と高抵抗層とすることによ
り、異なる物質よりなる弾性体層を必要とせず、カンチ
レバー型アクチュエータを実現できる。
As described above, by forming the piezoelectric bodies 3a and 3b made of the same substance as the low resistance layer and the high resistance layer, the cantilever type actuator can be realized without the need for the elastic body layer made of different substances.

【0025】次に、図3を用いて、本発明におけるカン
チレバー型アクチュエータの製造方法の一例を説明す
る。
Next, an example of a method of manufacturing the cantilever type actuator according to the present invention will be described with reference to FIG.

【0026】先ず、面方位(100)の単結晶シリコン
基板1上へ、密着性確保のためCrを5〜10Å真空蒸
着した後、Auを1000Å蒸着し、フォトリソグラフ
により、不用部分のAu/Crを除去し、下部電極2を
形成する(図3(a)参照)。
First, 5 to 10Å of Cr was vacuum-deposited on the single crystal silicon substrate 1 having a plane orientation (100) to secure the adhesion, and then 1000Å of Au was vapor-deposited, and the unnecessary portion of Au / Cr was photolithographically determined. Is removed to form the lower electrode 2 (see FIG. 3A).

【0027】次に、スパッタ蒸着法により、ZnOを2
000Å形成する。このスパッタリングの際、スパッタ
装置のターゲット表面近傍へ、リング状のAlワイヤー
を置き、圧電体3aのZnO中へ適当量のAlをドープ
し、低抵抗化を行う(図3(b)参照)。
Next, ZnO was added to the 2nd layer by the sputter deposition method.
000Å form. At the time of this sputtering, a ring-shaped Al wire is placed near the target surface of the sputtering apparatus, and ZnO of the piezoelectric body 3a is doped with an appropriate amount of Al to reduce the resistance (see FIG. 3B).

【0028】次に、前記のAlのワイヤーを取り除き、
ZnOのスパッタリング蒸着を行い、ZnOを3000
Å形成し、圧電体3bを形成する。このスパッタ蒸着の
際、LiやMn等より抵抗率を高める物質をドープする
ことも可能である(図3(c)参照)。
Next, the Al wire is removed,
ZnO is sputtered to form 3000 ZnO.
Å to form the piezoelectric body 3b. At the time of this sputter deposition, it is also possible to dope a substance that increases the resistivity from Li, Mn, etc. (see FIG. 3C).

【0029】また、図3(b),(c)のZnO成膜に
際しては、ZnOの結晶C軸が基板に対して垂直に配向
するように、スパッタリングの条件を選び、良好なC軸
配向膜を形成する。
In forming the ZnO film of FIGS. 3B and 3C, the sputtering conditions are selected so that the crystal C-axis of ZnO is oriented perpendicular to the substrate, and a good C-axis oriented film is formed. To form.

【0030】次に、再び真空蒸着により、Auを100
0Å成膜し、上部電極4を形成する(図3(d)参
照)。
Next, 100% Au is again deposited by vacuum vapor deposition.
A 0Å film is formed to form the upper electrode 4 (see FIG. 3D).

【0031】次に、フォトリソグラフにより、上電極4
のパターンニングを行い、不用部をエッチング除去す
る。尚、圧電体3a,3bもフォトリソグラフによりパ
ターンニングを行い、不用部を除却する(図3(e)参
照)。
Next, by photolithography, the upper electrode 4
Patterning is performed to remove the unnecessary portion by etching. The piezoelectric bodies 3a and 3b are also patterned by photolithography to remove unnecessary portions (see FIG. 3 (e)).

【0032】次に、Si単結晶基板1の裏面より、Si
単結晶の面方位による異方性エッチングを行ってSiを
除去し、カンチレバー部6を形成する(図3(f)参
照)。
Next, from the back surface of the Si single crystal substrate 1, Si
Si is removed by performing anisotropic etching according to the plane orientation of the single crystal to form the cantilever portion 6 (see FIG. 3F).

【0033】以上により図1に示したカンチレバー型ア
クチュエータを作製した。
As described above, the cantilever type actuator shown in FIG. 1 was manufactured.

【0034】尚、フォトリソグラフの際に使用したエッ
チング液は、AuはKI:I2 水溶液、Crは(NH
42 Ce(NO36 :HClO4 水溶液、ZnOは
酢酸水溶液をそれぞれ用い、Si基板1の異方性エッチ
ングにはKOH水溶液を用いた。
The etching solution used in the photolithography was KI: I 2 aqueous solution for Au and (NH
4 ) 2 Ce (NO 3 ) 6 : HClO 4 aqueous solution, acetic acid aqueous solution was used for ZnO, and KOH aqueous solution was used for anisotropic etching of the Si substrate 1.

【0035】本実施例により作製したカンチレバー型ア
クチュエータの各部の寸法及び駆動特性の一例を以下に
示す。
An example of the dimensions and drive characteristics of each part of the cantilever actuator manufactured according to this example is shown below.

【0036】圧電体3aの抵抗率…3×10-3Ωcm 圧電体3bの抵抗率…1×107 Ωcm カンチレバー長 …500μm カンチレバー幅 …50μm 印加電圧 …±3V 先端部の振幅 …±2μm 共振周波数 …4000Hz また、カンチレバー部形成後の電圧を印加しない状態で
のカンチレバー部の反りは、先端部で0.5μm以内に
することができる。
Resistivity of piezoelectric body 3a ... 3 × 10 -3 Ωcm Resistivity of piezoelectric body 3b ... 1 × 10 7 Ωcm Cantilever length ... 500 μm Cantilever width ... 50 μm Applied voltage ... ± 3 V Tip amplitude ... ± 2 μm Resonance frequency … 4000 Hz Further, the warp of the cantilever portion after the formation of the cantilever portion without applying a voltage can be set to 0.5 μm or less at the tip portion.

【0037】電圧を印加しない状態で、周囲温度を変化
させたとき発生するカンチレバー部の反りは、非常に小
さく、0℃〜100℃の範囲内で、最大0.1μmを実
現することができた。
The warp of the cantilever portion generated when the ambient temperature was changed without applying a voltage was very small, and a maximum of 0.1 μm could be realized within the range of 0 ° C. to 100 ° C. ..

【0038】本実施例においては、電極としてAu/C
r,Auを用いたが電極材料及びそのエッチング溶液
は、これらに限定されるものではなく、他の物質を使用
することもできる。また、製造方法自体もこれに限定さ
れるものではなく、他の方法で作製することも可能であ
る。
In this embodiment, Au / C is used as the electrode.
Although r and Au are used, the electrode material and the etching solution thereof are not limited to these, and other substances can be used. Also, the manufacturing method itself is not limited to this, and it is possible to manufacture by another method.

【0039】このように、カンチレバー型アクチュエー
タから従来例に示すような弾性体を取り除き、ZnO圧
電体層の膜厚方向に抵抗率の分布を持たせることによっ
て、温度変化によるレバーの反りの発生を極力抑えるこ
とができた。
As described above, the elastic body as shown in the conventional example is removed from the cantilever type actuator and the resistivity is distributed in the film thickness direction of the ZnO piezoelectric layer, so that the warp of the lever due to the temperature change is generated. I was able to suppress it as much as possible.

【0040】[実施例2]図4に、本発明の第2の実施
例を示す。図4(b)は、図4(a)中のA−A面にお
ける断面図である。
[Embodiment 2] FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention. FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the plane AA in FIG.

【0041】本実施例では、実施例1の構成に加えて、
圧電体3b上に新たに引出し電極8、及びカンチレバー
部6の先端部で引出し電極8と接するように探針9を形
成した。上部電極は引出し電極を挟んで4a,4bに分
割し、引出し電極8と接触しない構成とした。
In this embodiment, in addition to the structure of the first embodiment,
A new extraction electrode 8 was formed on the piezoelectric body 3b, and a probe 9 was formed so as to contact the extraction electrode 8 at the tip of the cantilever portion 6. The upper electrode was divided into 4a and 4b with the extraction electrode sandwiched therebetween, and was configured not to contact the extraction electrode 8.

【0042】このような構成とすることにより、本発明
によるカンチレバー型アクチュエータを走査型トンネル
電子顕微鏡(以下STMと略す)のプローブとして用い
ることができる。即ち、下部電極2と上部電極4a,4
bに駆動電圧を印加し、カンチレバー部6を変位させ、
探針9を観察しようとする媒体へ接近させる。媒体が導
電性を持つ場合、探針9と媒体表面の距離が数nm程度
まで近づくと、探針9と媒体表面の間にトンネル電流が
流れる。この電流を、引出し電極8を通じて外部へ取出
し、増幅を行い、カンチレバー駆動電圧にフィードバッ
クをかけ、その変化をモニターすることにより、極微表
面を観察することができる。
With this structure, the cantilever actuator according to the present invention can be used as a probe for a scanning tunneling electron microscope (hereinafter abbreviated as STM). That is, the lower electrode 2 and the upper electrodes 4a, 4
A drive voltage is applied to b to displace the cantilever portion 6,
The probe 9 is brought close to the medium to be observed. When the medium has conductivity, a tunnel current flows between the probe 9 and the medium surface when the distance between the probe 9 and the medium surface approaches a few nm. By extracting this current to the outside through the extraction electrode 8, amplifying it, feeding back the cantilever drive voltage, and monitoring the change, the microscopic surface can be observed.

【0043】この場合、カンチレバーの変位方向はZ方
向のみであり、x,y方向の微動及び粗動機構は外部の
アクチュエータを用いた。
In this case, the displacement direction of the cantilever is only in the Z direction, and an external actuator is used for the fine and coarse movement mechanisms in the x and y directions.

【0044】このように、本発明のカンチレバー型アク
チュエータをSTM用のプローブとして用いた場合、温
度変化による反りの発生が少いため、従来例で示すカン
チレバー型アクチュエータを用いた場合に比べ、より高
分解能な観察が可能となる。
As described above, when the cantilever type actuator of the present invention is used as the probe for STM, since the warpage due to the temperature change is small, the resolution is higher than that when the cantilever type actuator shown in the conventional example is used. It is possible to observe easily.

【0045】[実施例3]図5及び図6に、本発明の第
3の実施例を示す。図5は実施例2において説明した探
針9を有するカンチレバー型アクチュエータを、同一の
シリコン基板上に複数個作製し、集積化アクチュエータ
20を作製したものである。
[Third Embodiment] FIGS. 5 and 6 show a third embodiment of the present invention. FIG. 5 shows an integrated actuator 20 in which a plurality of cantilever actuators having the probe 9 described in the second embodiment are produced on the same silicon substrate.

【0046】上記の構造体は、実施例1で示した製造工
程におけるフォトリソグラフのフォトマスクパターンを
拡張するだけで作製可能である。また、同一の基板上へ
同時に形成できるため、各カンチレバーの特性が均一で
あり、また寸法精度も非常に高いものができる。
The structure described above can be manufactured by simply expanding the photolithographic photomask pattern in the manufacturing process shown in the first embodiment. Further, since they can be formed on the same substrate at the same time, the characteristics of each cantilever are uniform and the dimensional accuracy is very high.

【0047】また、個々のアクチュエータがSi単結晶
基板上に形成されているため、圧電体駆動用ドライバ
ー、信号増幅用のアンプ等のトランジスタ素子も同一基
板上へ集積化することが可能である。
Further, since the individual actuators are formed on the Si single crystal substrate, it is possible to integrate transistor elements such as a driver for driving a piezoelectric material and an amplifier for signal amplification on the same substrate.

【0048】図6は図5で説明した集積化アクチュエー
タ20を用い、観察媒体22表面上の複数の範囲を同時
に観察できるマルチヘッド式STM装置を示すものであ
る。21及び23はx,y,z方向に微粗動機構を有す
る可動ステージであり、可動ステージ21には集積化ア
クチュエータ20が固定され、可動ステージ23には観
察媒体22が固定されている。
FIG. 6 shows a multi-head type STM device capable of simultaneously observing a plurality of areas on the surface of the observation medium 22 by using the integrated actuator 20 described in FIG. Reference numerals 21 and 23 denote movable stages having fine movement mechanisms in the x, y, and z directions. The movable actuator 21 is fixed to the movable actuator 21, and the observation medium 22 is fixed to the movable actuator 23.

【0049】このような構造とした後、集積化アクチュ
エータ20を観察媒体22へ十分接近させ、各々の探針
9よりトンネル電流を検出し、カンチレバー部6を変位
させることにより、探針9と媒体22の距離を一定に保
つように駆動する。
After having such a structure, the integrated actuator 20 is sufficiently brought close to the observation medium 22, the tunnel current is detected from each probe 9, and the cantilever portion 6 is displaced, whereby the probe 9 and the medium are moved. It drives so that the distance of 22 may be kept constant.

【0050】ステージ21及びステージ23を、x,y
方向へ微小走査することにより、それぞれのカンチレバ
ー部6より、STM像が得られる。
The stages 21 and 23 are replaced by x, y
By finely scanning in the direction, an STM image is obtained from each cantilever portion 6.

【0051】以上述べたように、探針9を有するカンチ
レバー型アクチュエータを集積化することにより、複数
の範囲から同時にSTM像を得ることができ、本発明を
用いたカンチレバー部6は、温度変化その他による反り
が少いため、より高分解能で安定した2次元画像を得る
ことができる。
As described above, by integrating the cantilever type actuator having the probe 9, STM images can be simultaneously obtained from a plurality of ranges, and the cantilever portion 6 using the present invention can change the temperature and other factors. Since there is little warpage due to, it is possible to obtain a stable two-dimensional image with higher resolution.

【0052】以下に、本実施例で作製した集積化アクチ
ュエータの寸法の一例を示す。
An example of the dimensions of the integrated actuator manufactured in this embodiment is shown below.

【0053】 集積化アクチュエータ…40mm×40mm×1mm カンチレバー部6の本数…90本 カンチレバー部6の長さ…500μm カンチレバー部6の幅 …50μm 探針9の長さ …3μm [実施例4]図7に、本発明によるカンチレバー型アク
チュエータを用いた情報処理装置を示す。本図中、10
1は媒体の基板、102は金属薄膜電極層、103は記
録層である。201はXYステージ、202は(実施例
3)による集積化アクチュエータ、203は集積化アク
チュエータの支持体、204は集積化アクチュエータの
Z軸方向へ粗動するためのリニアアクチュエータ、20
5,206はXYステージをそれぞれX,Y方向へ駆動
するリニアアクチュエータ、207は記録再生用のバイ
アス回路である。301は探針から記録層103を介し
て電極層102へ流れる電流を検出する記録再生用のト
ンネル電流検出器である。302はカンチレバーをZ軸
方向へ移動させるためのサーボ回路であり、303はア
クチュエータ204を駆動するためのサーボ回路であ
る。304は複数のカンチレバーをZ軸方向に動かすた
めの駆動回路であり、305はXYステージの位置制御
を行う駆動回路である。306はこれらの操作を制御す
るコンピュータである。
Integrated actuator: 40 mm × 40 mm × 1 mm Number of cantilever portions 6: 90 Length of cantilever portion 6 500 μm Width of cantilever portion 6 50 μm Length of probe 9 3 μm [Example 4] FIG. 7 An information processing apparatus using the cantilever actuator according to the present invention is shown in FIG. 10 in the figure
Reference numeral 1 is a substrate of the medium, 102 is a metal thin film electrode layer, and 103 is a recording layer. 201 is an XY stage, 202 is an integrated actuator according to the third embodiment, 203 is a support of the integrated actuator, 204 is a linear actuator for coarse movement in the Z-axis direction of the integrated actuator, 20
Reference numerals 5 and 206 denote linear actuators for driving the XY stage in the X and Y directions, and 207 denotes a recording / reproducing bias circuit. Reference numeral 301 denotes a recording / reproducing tunnel current detector that detects a current flowing from the probe to the electrode layer 102 via the recording layer 103. 302 is a servo circuit for moving the cantilever in the Z-axis direction, and 303 is a servo circuit for driving the actuator 204. 304 is a drive circuit for moving a plurality of cantilevers in the Z-axis direction, and 305 is a drive circuit for controlling the position of the XY stage. A computer 306 controls these operations.

【0054】このようなシステムに本発明による所の集
積化アクチュエータを用いることにより、大容量の情報
を高密度に記録することが可能であり、カンチレバー個
々の反りのばらつきや温度変化による反りの発生を小さ
くすることができるため、書き込み、読み出しの精度を
向上させることができる。
By using the integrated actuator according to the present invention in such a system, it is possible to record a large amount of information at a high density, and the occurrence of warpage due to variations in warp of each cantilever and temperature change. Can be reduced, so that the accuracy of writing and reading can be improved.

【0055】[0055]

【発明の効果】以上説明したように、薄膜を用いたカン
チレバー型アクチュエータにおいて、圧電体層の膜厚方
向に抵抗率の分布を持たせることにより、別の層に弾性
体を設けることなく、カンチレバー部を屈曲変位させる
ことが可能である。
As described above, in a cantilever type actuator using a thin film, by providing a distribution of resistivity in the film thickness direction of the piezoelectric layer, the cantilever can be provided without providing an elastic body in another layer. The part can be bent and displaced.

【0056】また、弾性体として別の材料を用いないた
め、温度変化による熱膨張係数の差から発生する反りが
なく、より高精度の変位が可能となる。
Further, since another material is not used as the elastic body, there is no warpage caused by the difference in thermal expansion coefficient due to temperature change, and more accurate displacement is possible.

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

【図1】本発明に係るカンチレバー型アクチュエータの
第1の実施例を示す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of a cantilever type actuator according to the present invention.

【図2】本発明に係るカンチレバー型アクチュエータの
変位作動を説明するための図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining a displacement operation of the cantilever type actuator according to the present invention.

【図3】実施例1に係るカンチレバー型アクチュエータ
の製造工程図である。
FIG. 3 is a manufacturing process diagram of the cantilever actuator according to the first embodiment.

【図4】本発明に係るカンチレバー型アクチュエータの
第2の実施例を示す構成図である。
FIG. 4 is a configuration diagram showing a second embodiment of the cantilever type actuator according to the present invention.

【図5】実施例3で示す集積化アクチュエータの斜視図
である。
FIG. 5 is a perspective view of an integrated actuator shown in a third embodiment.

【図6】集積化アクチュエータを用いた走査型トンネル
電子顕微鏡の部分断面図である。
FIG. 6 is a partial cross-sectional view of a scanning tunneling electron microscope using an integrated actuator.

【図7】集積化アクチュエータを用いた情報処理装置の
ブロック構成図である。
FIG. 7 is a block configuration diagram of an information processing device using an integrated actuator.

【図8】圧電材料ZnOのスパッタ圧力に対する電気抵
抗率の関係を示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the electrical resistivity of a piezoelectric material ZnO and the sputtering pressure.

【図9】従来例に係るカンチレバー型アクチュエータを
示す構成図である。
FIG. 9 is a configuration diagram showing a cantilever type actuator according to a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 単結晶シリコン基板 2 下部電極 3 圧電体 3a 低抵抗圧電体 3b 高抵抗圧電体 4,4a,4b 上部電極 5 結晶C軸 6 カンチレバー部 7 変形後のカンチレバー部 8 引出し電極 9 探針 20 集積化アクチュエータ 21 可動ステージ 22 観察媒体 23 可動ステージ 30 弾性体 101 記録媒体基板 102 金属電極層 103 記録層 201 XYステージ 202 集積化アクチュエータ 203 支持体 204 Z方向リニアアクチュエータ 205 X方向リニアアクチュエータ 206 Y方向リニアアクチュエータ 207 記録再生用バイアス回路 301 トンネル電流検出器 302 サーボ回路 303 サーボ回路 304 カンチレバー駆動回路 305 駆動回路 306 コンピュータ 1 Single Crystal Silicon Substrate 2 Lower Electrode 3 Piezoelectric Body 3a Low Resistance Piezoelectric Body 3b High Resistance Piezoelectric Body 4, 4a, 4b Upper Electrode 5 Crystal C Axis 6 Cantilever Part 7 Cantilever Part after Deformation 8 Extraction Electrode 9 Probe 20 Integrated Actuator 21 Movable stage 22 Observation medium 23 Movable stage 30 Elastic body 101 Recording medium substrate 102 Metal electrode layer 103 Recording layer 201 XY stage 202 Integrated actuator 203 Support body 204 Z direction linear actuator 205 X direction linear actuator 206 Y direction linear actuator 207 Recording / reproducing bias circuit 301 Tunnel current detector 302 Servo circuit 303 Servo circuit 304 Cantilever drive circuit 305 Drive circuit 306 Computer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Hiroshi Hirai 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 薄膜圧電体と薄膜電極とを積層したカン
チレバー型アクチュエータにおいて、上下の電極に挟ま
れた圧電体層が膜厚方向に電気抵抗率の異る2つの層よ
り構成されていることを特徴とするカンチレバー型アク
チュエータ。
1. In a cantilever type actuator in which a thin film piezoelectric material and a thin film electrode are laminated, a piezoelectric material layer sandwiched between upper and lower electrodes is composed of two layers having different electrical resistivities in the film thickness direction. A cantilever type actuator.
【請求項2】 カンチレバー部の先端部に探針と、該探
針と電気的に接続された引出し電極を設けたことを特徴
とする請求項1記載のカンチレバー型アクチュエータ。
2. The cantilever type actuator according to claim 1, wherein the tip of the cantilever portion is provided with a probe and an extraction electrode electrically connected to the probe.
【請求項3】 薄膜圧電体として、酸化亜鉛を用いたこ
とを特徴とする請求項1又は2記載のカンチレバー型ア
クチュエータ。
3. The cantilever type actuator according to claim 1, wherein zinc oxide is used as the thin film piezoelectric body.
【請求項4】 請求項1〜3いずれかに記載のカンチレ
バー型アクチュエータを、同一基板上へ複数配置したこ
とを特徴とするカンチレバー型アクチュエータ。
4. A cantilever type actuator comprising a plurality of the cantilever type actuators according to claim 1 arranged on the same substrate.
【請求項5】 請求項1〜4いずれかに記載のカンチレ
バー型アクチュエータを有することを特徴とする走査ト
ンネル電子顕微鏡。
5. A scanning tunneling electron microscope comprising the cantilever type actuator according to any one of claims 1 to 4.
【請求項6】 トンネル電流を用いて記録媒体に情報の
記録再生等を行う情報処理装置において、少なくとも請
求項1〜4いずれかに記載のカンチレバー型アクチュエ
ータを有することを特徴とする情報処理装置。
6. An information processing apparatus for recording / reproducing information on / from a recording medium using a tunnel current, comprising at least the cantilever actuator according to any one of claims 1 to 4.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100439994B1 (en) * 2001-09-28 2004-07-12 주식회사 대우일렉트로닉스 Method and structure for dual actuators of cantilever
JP2008515213A (en) * 2004-09-30 2008-05-08 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト Solid actuators, especially piezoelectric ceramic actuators
JP2008147682A (en) * 2007-12-18 2008-06-26 Seiko Epson Corp Piezoelectric thin-film element and ink jet recording head

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