JPH0579813A - カンチレバー状変位素子、カンチレバー型プローブ及びそれを用いた情報処理装置と走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 逆圧電効果を利用したカンチレバー状変位素
子において、大きな変位量を確保しつつ、耐久性、製造
の簡易化、集積化等を達成することにある。 【構成】 圧電体薄膜３の上下面に、該圧電体薄膜３を
逆圧電効果により変位させるための電極２，４を設けて
なる薄膜カンチレバー状変位素子において、該圧電体薄
膜３が単一層でかつ上下電極２，４が同一形状からな
り、さらに、該圧電体薄膜３が、不純物添加により半導
体化された圧電材料、もしくは半導体化せしめることが
可能な圧電材料よりなるカンチレバー状変位素子、を特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電体に電圧を印加し
て、その逆圧電効果により生じる変位を利用したカンチ
レバー（片持ちばり）状変位素子、及びそれを用いたカ
ンチレバー型プローブ及びそれを用いた情報処理装置、
走査型トンネル顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年において、導体の表面原子の電子構
造を直接観測できる走査型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭ
と略す）が開発され（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ ｅｔ．ａ
ｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．４９（１９８２）
５７）、単結晶、非晶質を問わず実空間像を著しく高い
分解能（ナノメートル以下）で測定できるようになっ
た。更に現在、ＳＴＭの手法を用いて半導体、あるいは
高分子材料等の原子オーダー、分子オーダーの観察評
価、微細加工（Ｅ．Ｅ．Ｅｈｒｉｃｈｓ，４ｔｈ．Ｉｎ
ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ
Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｒｉｎｇ Ｍｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｙ／Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，’８９，Ｓ１
３−３）、及び記録再生装置等のさまざまな分野への応
用が研究されている。

【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の要求が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
こと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。

【０００４】かかる装置においては、試料を探針で数ｎ
ｍ〜数μｍの範囲で走査する必要があり、その際の移動
機構として圧電体素子が用いられる。この例としては、
３本の圧電体素子を、ｘ、ｙ、ｚ方向に沿って互いに直
交するように組み合わせ、その交点に探針を配置したト
ライポッド型や、円筒型の圧電体素子の外周面の電極を
分割して一端を固定し、他端に探針を取り付け、各々の
分割電極に対応させて円筒を変形させて走査する円筒型
等のタイプがある。

【０００５】さらに最近では、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．Ｐｅｔｅｒｓｏ
ｎ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｖｏｌ．ＥＤ−２５，Ｎｏ．１０，ｐ
１２４１，１９７８）を用いて探針駆動機構を微細に形
成する試みがなされている。図５はマイクロマシーニン
グ技術により、Ｓｉ基板上に圧電体バイモルフからなる
カンチレバーを形成した例である（Ｔ．Ｒ．Ａｌｂｒｅ
ｃｈｔ，“Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆ Ｉ
ｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ
ｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇ ｏｆ ４ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏ
ｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎ
ｅｒｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ／Ｓｐｅｃｔｒｏｓ
ｃｏｐｙ，’８９，Ｓ１０−２）。また、図６は図５の
カンチレバー長手方向の断面図である。図示するよう
に、基板１上に２分割電極２ａ，２ｂ、ＺｎＯ圧電体３
ａ、中電極１４、ＺｎＯ圧電体３ｂ、２分割電極４ａ，
４ｂ、を積層したカンチレバーを作り、その下のＳｉ基
板の一部を異方性エッチングにより除去してＳｉ基板の
端部から片持ちで支持されるように形成されている。

【０００６】かかる圧電体バイモルフからなるカンチレ
バーの先端には、金属の探針５が接着等により取りつけ
られ、引き出し電極１５を介してトンネル電流を検知す
る。このカンチレバーは、バイモルフ構成を持つため、
とりわけ上下方向に大きな変位量を得ることができると
いう優れた特性を持つ。

【０００７】また、このようなマイクロマシーニング技
術により形成される探針駆動機構は微細にでき、記録再
生装置の情報の書き込み、読み出しの速度を向上させる
に要求されるプローブの複数化を容易にすることが可能
となる。

【０００８】更に、この方法は、圧電体材料の薄膜技術
を利用している点で、Ｓｉ半導体を主流とするＩＣプロ
セスにそのまま組み込むことができ、優れた方法といえ
る。

【０００９】一方、このような圧電体を用いたアクチュ
エータには、上記のようなものの他に、図７にその断面
図を示すようなモノモルフ型が知られている。これは圧
電セラミックス単板で屈曲動作をするもので、非常に単
純な構造を持つ。３は圧電セラミックス、２及び４は電
極である。

【００１０】その動作原理は、電極２及び４の間に電界
を印加した時に、圧電セラミックス３中において発生す
る電界分布により伸縮の分布が発生し、その結果として
屈曲動作が生じるものである。より詳細には、半導体セ
ラミックス−電極間の障壁形成による屈曲の発現が考え
られている。このような接合においては、電子のエネル
ギバンド構造にショットキ型、あるいはモット型の障壁
が形成されることが良く知られている。

【００１１】図８（ａ）に、両側に金属電極を持つ厚さ
ｔ₀ の半導体セラミックスのバンドモデルを示す。図中
障壁の高さφは金属と半導体セラミックスの仕事関数の
差である。この試料の左側電極に＋Ｖの電圧を印加する
と、図８（ｂ）のようにバンド構造が変化する。つま
り、左右の接合部はそれぞれ順方向、逆方向の電流特性
を示す。左右接合部から流入、あるいは流出する電流が
等しいという条件を考慮して、障壁高さφ₀ が大きい
場合には電界はセラミックス内で一様にならず、ほぼ右
の接合部に集中して加わると近似することができるとい
うものである。

【００１２】このようなモノモルフ型素子は、接合部の
少ない単純な構造であるため、繰り返し耐久性も高く、
その単純な対称性から変位量のドリフトも小さく実用的
に優れた特性を持つものである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５に
示した装置においては、たくさんの層の電極及び圧電体
の積層を行うため各々の層の厚み及び応力を十分に制御
しなければならない。というのも、Ｓｉ基板をエッチン
グ除去して作製するカンチレバーは各々の層の膜厚、応
力に依存して、膜中のクラックや電極と圧電体の界面に
おける膜はがれが発生することがあったためである。特
に圧電体薄膜は窒化物、酸化物で構成されており、電極
として使用する金属との界面は、まったく異種の材料の
接合となり、そこで非常に大きな応力を発生し、特に薄
膜化した場合には、その界面で発生した応力は、バルク
のような厚いものの場合と異なり無視できる値ではなく
なってしまう。また、全部で５層の薄膜の積層を要する
ため、素子の作製工程が多かった。

【００１４】また、図７に示したような素子において
は、圧電セラミックスとしてはバルク材が用いられてい
た。このため、屈曲変位を生じるためには、前項で示し
たような半導体セラミックス−電極間の障壁のモデルに
おいて、圧電セラミックス内における電界が集中して伸
縮が発生する、図８（ｂ）における右の接合部の領域が
素子全体の厚さに対して小さ過ぎ、補助的な手段として
電界が集中する領域を拡大する必要があったため、該セ
ラミックス内に大きな抵抗率の分布が生じるように特殊
な条件で焼成したバルク材を用いる必要があり、この場
合に材料の厚さでどのように電界分布するかを想定する
ことは非常に困難であり、必要な変位量を達成するため
の材料設計が難しいため、素子の作製が難しいと共に、
大きな変位量が得にくく、バルクを用いていたため素子
の小型化、集積化が難しかった。

【００１５】以上のような従来例の問題点に鑑み、本発
明の目的とするところは、大きな変位量といった優れた
特長を持ちながら、繰り返し耐久性が高く、変位量のド
リフトの小さな、実用的に優れた特性を持つ、簡易な作
製工程で作製でき複数化、集積化可能な薄膜カンチレバ
ー（片持ちばり）状変位素子及びそれを用いた情報処理
装置等を安定して提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段及び作用】上記課題は、以
下に述べる本発明によって解決される。

【００１７】第１に、圧電体薄膜の上下面に、該圧電体
薄膜を圧電効果により変位させるための電極を設けてな
る薄膜カンチレバー（片持ちばり）状変位素子におい
て、該圧電体薄膜が単一層でかつ上下電極が同一形状か
らなり、さらに、該圧電体薄膜が、不純物添加により半
導体化された圧電材料、もしくは半導体化せしめること
が可能な圧電材料よりなることを特徴とするカンチレバ
ー状変位素子である。

【００１８】第２に、該圧電体薄膜に用いる圧電材料
が、ＺｎＯ、ＢａＴｉＯ₃ 、ＰｂＴｉＯ₃ 、Ｐｂ（Ｚｒ
_x Ｔｉ_1-x ）Ｏ₃ （０＜ｘ≦１）、（Ｂａ_1-x Ｓｒ_x）
ＴｉＯ₃ （０＜ｘ≦１）、Ｂａ_1-x-y Ｐｂ_x Ｓｒ_y Ｔｉ
_1-x Ｚｒ_z Ｏ₃ （０＜ｘ＜０．５、０＜ｙ＜０．５、０
＜ｚ＜０．５）のいずれか、もしくは該圧電材料に不純
物を添加したもののいずれかであることを特徴とする、
前記第１記載のカンチレバー状変位素子である。

【００１９】第３に、前記第１又は第２に記載のカンチ
レバー状変位素子の上面自由端部に、情報入出力用探針
を設けたことを特徴とするカンチレバー型プローブであ
る。

【００２０】第４に、前記第３に記載のカンチレバー型
プローブを有することを特徴とする走査型トンネル電子
顕微鏡である。

【００２１】第５に、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
とも前記第３に記載のカンチレバー型プローブを有する
ことを特徴とする情報処理装置である。

【００２２】次に、本発明のカンチレバー状変位素子の
作用について説明する。本発明のように圧電体セラミッ
クスを薄膜化することによって、図８に示したバンド構
造において圧電体セラミックス部の厚さが非常に小さく
なり、右の電極との接合部近傍の電界が集中する部分の
厚さの素子全体に対する割合が非常に大きくなるため
に、非常に大きな変位が得られるようになる。

【００２３】すなわち本発明によるカンチレバー状変位
素子によれば、大きな変位量といった優れた特長を持ち
ながら、繰り返し耐久性が高く、変位量のドリフトの小
さな、実用的に優れた特性を持つ、簡易な作製工程で作
製でき、複数化、集積化が可能となった。

【００２４】ここで、前記圧電体薄膜に用いられる薄膜
材料としては、不純物添加により半導体化された圧電材
料、もしくは半導体化せしめることが可能な圧電材料を
用いる。具体的には、ＺｎＯ、ＢａＴｉＯ₃ 、ＰｂＴｉ
Ｏ₃ 、Ｐｂ（Ｚｒ_x Ｔｉ_1-x）Ｏ₃ （０≦ｘ＜１）、
（Ｂａ_1-x Ｓｒ_x ）ＴｉＯ₃ （０≦ｘ＜１）、Ｂａ
_1-x-y Ｐｂ_x Ｓｒ_y Ｔｉ_1-x Ｚｒ_z Ｏ₃ （０＜ｘ＜０．
５、０＜ｙ＜０．５、０＜ｚ＜０．５）等が考えられ
る。

【００２５】不純物添加を行う場合の不純物としては、
非常に多種のものが考えられるが、具体的には実施例中
に示す。該不純物の添加方法としては、圧電体薄膜作製
時に例えばスパッタリングターゲットに混入したりター
ゲット上に不純物のペレットを置くなどして同時に混入
する方法のほか、圧電体薄膜作製後にイオン打込などに
より混入したり、圧電体薄膜と積層して該不純物を堆積
してその後拡散させたり、あるいは電極材料として該不
純物を含むものを用いてそこからの拡散を利用すること
なども考えられる。

【００２６】また、前記圧電体薄膜の厚さとしては、該
カンチレバーの構造を片持ちで支持でき、かつ屈曲変位
に耐える強度を持つ範囲で最適値を選ぶ。しかしなが
ら、余り厚くすると今度は屈曲変位の大きさが小さくな
ってしまうため、好ましくは１．５μｍ以下にする。

【００２７】また、前記圧電体薄膜の作製方法としては
特に限定されないが、イオンビーム蒸着法を含む蒸着
法、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法などが用いら
れる。更にこれらの成膜方法に、プラズマ、活性ガス、
光照射などのアシストを組み合わせて用いることもでき
る。

【００２８】また、前記下部電極及び上部電極に用いる
材料としては主に貴金属であるＡｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ
などが用いられる。また、そのほかにＡｌなどの材料も
用いることができる。また適宜合金としたり、上記の不
純物を混ぜておくこともできる。いずれの材料を用いた
場合でも、基板、圧電体薄膜との密着性を向上させるた
め、適当な密着層を用いることもできる。なお、上下の
電極に於ける応力差や弾性の差によるカンチレバーの反
りや不正な変位を防ぐために、上下の電極は基本的には
同じ材料を同じ成膜条件で成膜したものを用いるが、上
記応力等が制御可能であればこの限りではない。

【００２９】

【実施例】以下に実施例を用いて本発明を具体的に詳述
する。

【００３０】（実施例１）図１（ａ）〜（ｅ）に本実施
例のカンチレバー状変位素子及びそれを用いたカンチレ
バー型プローブの作製方法の概略を示す。また、図２は
カンチレバー状変位素子の上面自由端部に、情報入出力
用探針を設けたカンチレバー型プローブの斜視図であ
る。

【００３１】図１及び図２において、１は基板、２は下
部電極、３は圧電体薄膜、４は上部電極、５は情報入出
力用の探針である。

【００３２】図３に、本実施例の素子における圧電体薄
膜３の積層に用いたイオンビーム蒸着装置の概略図の例
を示す。本図において、１は基板、６は真空容器、７は
るつぼと加熱装置を具備する蒸発源、８はイオン化のた
めの電子放出源、９は加速電極、１０は加速のための電
源で、図中では基板側が負になっているが極性を反転し
て使用することもできる。１１は噴出した蒸気のイオン
ビーム、１２は基板ホルダー、１３はガス噴出口であ
る。

【００３３】尚、真空容器６は不図示の装置により排気
することができ、基板１の温度、蒸発源７の温度、電子
放出源８におけるイオン化電流、ガス噴出口１３におけ
るガス流量は、不図示の装置により、それぞれ独立に制
御することができる。

【００３４】次に、本実施例のカンチレバー状変位素子
の製造方法について述べる。

【００３５】まず、図１（ａ）に示すように、基板１上
に下部電極２を形成する。基板１には面方位（１００）
のＳｉ単結晶基板の両面に、後述の基板の異方性エッチ
ングのためのマスク層としてＳｉ₃ Ｎ₄ を０．２μｍ堆
積したものを用いた。下部電極２はＡｌ膜を用い、通常
の高周波スパッタリングにより０．１μｍの厚さに蒸着
した後、通常のフォトリソグラフィーで不要部分を除去
して形成した。Ａｌの成膜時の基板温度は２００℃、成
膜速度は０．０１２μｍ／ｍｉｎ．とした。

【００３６】次に、図１（ｂ）に示すように、圧電体薄
膜３を成膜した。成膜には図３に示したイオンビーム蒸
着装置を用いた。また、本実施例においては、上記圧電
体薄膜３の材料として、代表的な圧電性材料の一つであ
るＺｎＯを用いた。

【００３７】真空容器６を５×１０^-5Ｐａ以下の圧力ま
で排気し、蒸着源７に薄膜の原料物質であるＺｎを充填
し加熱により蒸発させた。更にガス噴出口１３からＯ₂
ガスを１２ｍｌ／ｍｉｎ．で導入して基板面に吹きつけ
ながら成膜した。基板温度は２００℃とした。また、こ
の際のイオン化条件はイオン化電流を５０ｍＡ、加速電
圧を０．５ｋＶとし、膜厚は０．３μｍとして成膜し
た。

【００３８】圧電体薄膜３を成膜したのち、上部電極４
を図１（ｃ）に示すように、下部電極２と同様の条件で
通常の高周波スパッタリングを用いてＡｌを０．１μｍ
蒸着して形成した後、図１（ｄ）に示すように、通常の
フォトリソグラフィーにより、圧電体薄膜３及び上部電
極４の不要部分を除去した後、水酸化カリウム水溶液を
用いて基板の異方性エッチングにより素子の片端部を除
いて素子下部の基板を除去して作製した。

【００３９】本実施例で作製したカンチレバー状変位素
子の形状は、長さ５００μｍ、幅５０μｍである。

【００４０】このようにして作製した薄膜カンチレバー
状変位素子の下部電極２と上部電極４の間に±３Ｖの電
圧を印加した場合に、カンチレバーの先端部は図１の上
下方向に±３μｍ変位した。

【００４１】カンチレバー形成後の、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
以下であった。また、電圧を印加しない状態で周辺温度
を変化させた時発生するカンチレバー部の反りの変動は
非常に小さく、０℃〜１００℃の範囲内で最大０．１μ
ｍであった。更に、素子に用いた膜中のクラック、膜は
がれはまったく観察されず、それによる動作不良も一切
観察されなかった。

【００４２】次に、図１（ｅ）に示すように、このよう
にして作製したカンチレバー状変位素子を用いたカンチ
レバー型プローブを、該素子の自由端部に情報入出力用
の探針５を設けることで作製した。探針５はＰｔ、Ｒ
ｈ、Ｗなどの金属片を接着して形成した。

【００４３】本実施例のカンチレバー型プローブを用い
てＳＴＭによる情報処理装置を作製した例について述べ
る。図４に装置のブロック図を示す。本実施例で作製し
たカンチレバー型プローブ１７にて試料１６に探針５を
近づけたのち（図上下方向）、試料１６面内のｘ方向、
ｙ方向をｘ−ｙステージ１８にて走査し、探針５と試料
１６にバイアス電圧印加回路２２より電圧を加え、その
とき観察されるトンネル電流をトンネル電流増幅回路２
０で読み出し像観察を行う。試料１６と探針５の間隔制
御とｘ−ｙステージの駆動制御は駆動制御回路１９にて
行う。これら回路のシーケンス制御はＣＰＵ２１にて行
う。図には示していないが、ｘ−ｙステージ１８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、作動マイクロメータ、ボイスコイル、インチウ
ォームなどの制御機構を用いて行う。

【００４４】この装置にて、試料１６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２２にて２００ｍＶの直流電圧を探針５と試料
１６の間に加えた。この状態で試料１６に沿って探針５
を走査してトンネル電流検出回路２０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０．０
５μｍ×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。

【００４５】このように、ＳＴＭの原理による動作が確
認され、情報の記録再生並びに表面観察動作が確認され
た。

【００４６】（実施例２）本実施例では実施例１と同様
の素子において、圧電体薄膜３の材料としてＺｎＯ中に
不純物としてＣｒを微量添加したものを用い、堆積をス
パッタ法によって行った場合について述べる。

【００４７】実施例１と同様に、まず図１（ａ）に示す
ように、基板１上に下部電極２を形成する。基板１には
面方位（１００）のＳｉ単結晶基板の両面に、後述の異
方性エッチングのためのマスク層としてＳｉ₃ Ｎ₄ を
０．２μｍ堆積したものを用いた。

【００４８】下部電極２は、Ｐｔ膜を用い、通常の高周
波スパッタリングにより０．１μｍの厚さに蒸着した
後、通常のフォトリソグラフィーによるリフトオフプロ
セスで不要部分を除去して形成した。基板温度は室温、
成膜速度は０．０１２μｍ／ｍｉｎ．とした。

【００４９】次に、図１（ｂ）に示すように、圧電体薄
膜３を成膜した。ターゲットとしてはＺｎＯ焼結体を用
い、該ターゲット上にＣｒ₂ Ｏ₃ のペレットを数個おい
てスパッタリングすることでＺｎＯ中に微量のＣｒを添
加した。Ｃｒ₂ Ｏ₃ のペレットとＺｎＯターゲットの表
面積の比はおおむね１：２００程度とした。成膜条件
は、スパッタリングガスとしてＡｒとＯ₂ を１：１で混
合したものを用い、ガス圧は０．５Ｐａとし、スパッタ
時のプラズマパワーを２００Ｗとした。基板温度は２０
０℃、膜厚を０．３μｍとした。

【００５０】圧電体薄膜３を成膜したのち、上部電極４
を図１（ｃ）に示すように、下部電極２と同様に通常の
高周波スパッタリングによりＰｔを０．１μｍ蒸着して
形成した後、図１（ｄ）に示すように、通常のフォトリ
ソグラフィーによるリフトオフプロセスより、圧電体薄
膜３及び上部電極４の不要部分を除去した後、水酸化カ
リウム水溶液を用いて基板の異方性エッチングにより素
子の片端部を除いて素子下部の基板を除去して作製し
た。

【００５１】本実施例で作製した圧電変位素子の形状
は、長さ５００μｍ、幅５０μｍである。

【００５２】このようにして作製した薄膜カンチレバー
状変位素子の下部電極２と上部電極６の間に±３Ｖの電
圧を印加した場合に、カンチレバーの先端部は図１の上
下方向に±２μｍ変位した。

【００５３】又、実施例１と同様にして、上記のように
して作製したカンチレバー状変位素子の自由端部に情報
入出力用の探針５を設けカンチレバー型プローブを形成
し、これを用いてＳＴＭ並びにＳＴＭを用いた情報処理
装置を作製したところ、実施例１と同様の良好な動作を
行った。

【００５４】（実施例３）本実施例では、実施例１と同
様の素子において、圧電体薄膜３の材料として強誘電体
であるＢａＴｉＯ₃ 中に不純物としてＹなどの３価とな
る原子を微量添加したものを用い、堆積をスパッタ法に
よって行った場合について述べる。

【００５５】実施例２とまったく同様にして、図１
（ａ）に示すように、Ｓｉ（１００）単結晶基板の両面
にＳｉ₃ Ｎ₄ を０．２μｍ堆積した基板１上にＰｔの下
部電極２を形成した後、図１（ｂ）に示すように、Ｂａ
ＴｉＯ₃ にＹを微量添加したものを材料とし、高周波ス
パッタリングを用いて圧電体薄膜３を形成した。成膜条
件は、ターゲットとしてはＢａＴｉＯ₃ 中に０．３％の
Ｙ₂ Ｏ₃ を混入した焼結体を用い、基板温度は６００
℃、スパッタリングガスとしてはＡｒとＯ₂ を１：１で
混合したものを用い、ガス圧は０．５Ｐａとし、スパッ
タ時のプラズマパワーを２００Ｗとした。膜厚は１．０
μｍとした。

【００５６】圧電体薄膜３を成膜したのち、上部電極４
を図１（ｃ）に示すように、通常の高周波スパッタリン
グを用いてＰｔを０．１μｍ蒸着して形成した後、図１
（ｄ）に示すように、通常のフォトリソグラフィーによ
り、圧電体薄膜３及び上部電極４の不要部分を除去した
後、水酸化カリウム水溶液を用いて基板の異方性エッチ
ングにより素子の片端部を除いて素子下部の基板を除去
して作製した。

【００５７】本実施例で作製した圧電変位素子の形状
は、長さ５００μｍ、幅５０μｍである。

【００５８】このようにして作製した薄膜カンチレバー
状変位素子の下部電極２と上部電極４の間に±３Ｖの電
圧を印加した場合に、カンチレバーの先端部は図１の上
下方向に±５μｍ変位した。

【００５９】また、該不純物として、それぞれＹの場合
と同量のＬａ、Ｓｍを添加した圧電体薄膜を使用した場
合もほぼ同様の特性が得られた。

【００６０】又、実施例１と同様にして、上記のように
して作製したカンチレバー状変位素子の自由端部に情報
入出力用の探針５を設けカンチレバー型プローブを形成
し、これを用いてＳＴＭ並びにＳＴＭを用いた情報処理
装置を作製したところ、実施例１と同様の良好な動作を
行った。

【００６１】（実施例４）本実施例では、実施例１と同
様の素子において、圧電体薄膜３の材料として強誘電体
であるＢａＴｉＯ₃ 中に不純物としてＳｉＯ₂ とＡｌ₂
Ｏ₃ を微量添加したものを用い、堆積をスパッタ法によ
って行った場合について述べる。

【００６２】図１（ａ）に示すように、基板１上にＡｇ
の下部電極２を形成した。基板１には面方位（１００）
のＳｉ単結晶基板の両面に、後述の異方性エッチングの
ためのマスク層としてＳｉ₃ Ｎ₄ を０．２μｍ堆積した
ものを用いた。下部電極２は、Ａｇ膜を用い、通常の高
周波スパッタリングにより０．１μｍの厚さに蒸着した
後、通常のフォトリソグラフィーにより不要部分を除去
して形成した。基板温度は２００℃、成膜速度は０．０
１２μｍ／ｍｉｎ．とした。

【００６３】これに続いて、図１（ｂ）に示すように、
ＢａＴｉＯ₃ にＳｉＯ₂ とＡｌ₂ Ｏ₃ を少量添加したも
のを材料とし、高周波スパッタリングを用いて圧電体薄
膜３を形成した。成膜条件は、ターゲットとしてはＢａ
ＴｉＯ₃ 中に５％のＳｉＯ₂と２％のＡｌ₂ Ｏ₃ を混入
した焼結体を用い、基板温度は５００℃、スパッタリン
グガスとしてはＡｒとＯ₂ を１：１で混合したものを用
い、ガス圧は０．５Ｐａとし、スパッタ時のプラズマパ
ワーを２００Ｗとした。膜厚は１．４μｍとした。

【００６４】圧電体薄膜３を成膜したのち、上部電極４
を図１（ｃ）に示すように、下部電極２とまったく同様
にして形成した後、図１（ｄ）に示すように、通常のフ
ォトリソグラフィーにより、圧電体薄膜３及び上部電極
４の不要部分を除去した後、水酸化カリウム水溶液を用
いて基板の異方性エッチングにより素子の片端部を除い
て素子下部の基板を除去して作製した。

【００６５】本実施例で作製したカンチレバー状変位素
子の形状は、長さ５００μｍ、幅５０μｍである。

【００６６】このようにして作製した薄膜カンチレバー
状変位素子の下部電極２と上部電極４の間に±３Ｖの電
圧を印加した場合に、カンチレバーの先端部は図１の上
下方向に±４μｍ変位した。

【００６７】又、実施例１と同様にして、上記のように
して作製したカンチレバー状変位素子の自由端部に情報
入出力用の探針５を設けカンチレバー型プローブを形成
し、これを用いてＳＴＭ並びにＳＴＭを用いた情報処理
装置を作製したところ、実施例１と同様の良好な動作を
行った。

【００６８】なお、これと同様の結果は、圧電体薄膜３
の材料としてスパッタリングターゲットを変えること
で、Ｐｂ（Ｚｒ_x Ｔｉ_1-x ）Ｏ₃ （０≦ｘ＜１）、（Ｂ
ａ_1-xＳｒ_x ）ＴｉＯ₃ （０≦ｘ＜１）、Ｂａ_1-x-y Ｐ
ｂ_x Ｓｒ_y Ｔｉ_1-x Ｚｒ₂ Ｏ₃（０＜ｘ＜０．５、０＜
ｙ＜０．５、０＜ｚ＜０．５）を用いて素子を作製した
場合も得られた。

【００６９】（実施例５）本実施例では、実施例１と同
様の素子において、圧電体薄膜３の材料として強誘電体
であるＰｂＴｉＯ₃ を用い、堆積をイオンビーム蒸着で
行った場合について述べる。

【００７０】まず、図１（ａ）に示すように、Ｓｉ（１
００）基板１上に下部電極２を形成した。基板１にはＳ
ｉを用い、下部電極２はＡｇ薄膜を用い、膜厚を０．０
３μｍとし、通常の高周波スパッタリングにより形成し
た。この際の基板温度は２００℃、成膜速度は０．０１
２μｍ／ｍｉｎ．とした。

【００７１】下部電極２を形成した後、図１（ｂ）に示
すように、ＰｂＴｉＯ₃ を材料とし、イオンビーム蒸着
を用いて圧電体薄膜３の第１層３を形成した。成膜には
図３に示したイオンビーム蒸着装置において、７のるつ
ぼと加熱装置を具備する蒸発源、８のイオン化のための
電子放出源、９の加速電極、１０の加速のための電源か
らなるイオンガン部分を２基設けたものを用いた。

【００７２】真空容器６を５×１０^-5Ｐａ以下の圧力ま
で排気し、２個の蒸着源に薄膜の原料物質であるＰｂＯ
とＴｉをそれぞれ充填し、いずれも加熱により蒸発させ
た。更にガス噴出口１３からＯ₂ ガスを１２ｍｌ／ｍｉ
ｎ．で導入して基板面に吹きつけながら成膜した。Ｐｂ
Ｏ、Ｔｉともにイオン化電流は１００ｍＡ、加速電圧は
１．５ｋＶとした。基板温度は３８０℃とした。膜厚は
実施例１と同様とした。

【００７３】圧電体薄膜３を成膜したのち、上部電極４
を、図１（ｃ）に示すように、下部電極２とまったく同
様にして形成した後、図１（ｄ）に示すように、通常の
フォトリソグラフィーにより、圧電体薄膜３及び上部電
極４の不要部分を除去した後、水酸化カリウム水溶液を
用いて基板の異方性エッチングにより素子の片端部を除
いて素子下部の基板を除去して作製した。

【００７４】本実施例で作製したカンチレバー状変位素
子の形状は、長さ５００μｍ、幅５０μｍである。

【００７５】このようにして作製した薄膜カンチレバー
状変位素子の下部電極２と上部電極４の間に±３Ｖの電
圧を印加した場合に、カンチレバーの先端部は図１の上
下方向に±５μｍ変位した。

【００７６】又、実施例１と同様にして、上記のように
して作製したカンチレバー状変位素子の自由端部に情報
入出力用の探針５を設けカンチレバー型プローブを形成
し、これを用いてＳＴＭ並びにＳＴＭを用いた情報処理
装置を作製したところ、実施例１と同様の良好な動作を
行った。

【００７７】（実施例６）本実施例では、実施例１と同
様の素子において、圧電体薄膜３の材料として強誘電体
であるＰｂＴｉＯ₃ を用い、薄膜堆積をゾル・ゲル法で
行った場合について述べる。

【００７８】実施例５とまったく同様にして、図１
（ａ）に示すように、Ｓｉ（１００）基板１上にＡｇの
下部電極２を形成した後、図１（ｂ）に示すように、Ｐ
ｂＴｉＯ₃ を材料とし、ゾル・ゲル法を用いて圧電体薄
膜３を以下の方法で形成した。

【００７９】まず、薄膜の原料物質であるＰｂとＴｉの
それぞれのアルコキシド化合物を混合し、アルコール中
に溶解して適当な濃度に調整し、原料液を調製した。次
に、下部電極２を形成した基板１を４００℃に加熱した
上に、上記原料液を滴下し、３０００回転／分の速度で
回転し、スピンコーティングをした。この１回の工程
で、薄膜は０．１μｍ堆積されたので、この工程を５回
くり返して膜厚を０．５μｍの厚さに形成した。更に以
上の工程が終了した後、電気炉を用いて酸素雰囲気中で
５００℃、１時間の熱処理を行って、圧電体薄膜３を形
成した。

【００８０】圧電体薄膜３を成膜したのち、上部電極４
を図１（ｃ）に示すように、通常の高周波スパッタリン
グを用いてＡｇを０．１μｍ蒸着して形成した後、図１
（ｄ）に示すように、通常のフォトリソグラフィーによ
り、圧電体薄膜３及び上部電極４の不要部分を除去した
後、水酸化カリウム水溶液を用いて基板の異方性エッチ
ングにより素子の片端部を除いて素子下部の基板を除去
して作製した。

【００８１】本実施例で作製したカンチレバー状変位素
子の形状は、長さ５００μｍ、幅５０μｍである。

【００８２】このようにして作製した薄膜カンチレバー
状変位素子の下部電極２と上部電極４の間に±３Ｖの電
圧を印加した場合に、カンチレバーの先端部は図１の上
下方向に±５μｍ変位した。

【００８３】又、実施例１と同様にして、上記のように
して作製したカンチレバー状変位素子の自由端部に情報
入出力用の探針５を設けカンチレバー型プローブを形成
し、これを用いてＳＴＭ並びにＳＴＭを用いた情報処理
装置を作製したところ、実施例１と同様の良好な動作を
行った。

【００８４】

【発明の効果】本発明によるカンチレバー状変位素子に
よれば、大きな変位量といった優れた特性を持ちなが
ら、繰り返し耐久性が高く、変位量ドリフトの小さな、
実用的に優れた特性を持つ、簡易な工程で作製でき、複
数化、集積化可能な薄膜カンチレバー（片持ちばり）状
変位素子を安定して供給することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のカンチレバー状変位素子、及びカンチ
レバー型プローブの製造工程図である。

【図２】本発明のカンチレバー型プローブの斜視構成図
である。

【図３】本発明に係る圧電体薄膜の成膜に使用したイオ
ンビーム蒸着装置の概略図である。

【図４】本発明のカンチレバー型プローブを用いたＳＴ
Ｍ装置のブロック図である。

【図５】従来例の圧電体バイモルフからなるカンチレバ
ー型プローブを示す図である。

【図６】図５に示すカンチレバー型プローブの軸方向断
面図である。

【図７】従来例のモノモルフ型アクチュエータを示す図
である。

【図８】両側に金属電極を持つ半導体セラミックスのバ
ンドモデルを示す図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 下部電極 ３ 圧電体薄膜 ４ 上部電極 ５ 情報入出力用の探針 ６ 真空容器 ７ るつぼと加熱装置を具備する蒸発源 ８ 電子放出源 ９ 加速電極 １０ 電源 １１ 噴出した蒸気のイオンビーム １２ 基板ホルダー １３ ガス噴出口 １４ 中間電極 １５ 引き出し電極 １６ ＳＴＭ観察を行った試料 １７ カンチレバー型プローブ １８ ｘ−ｙステージ １９ 駆動制御回路 ２０ トンネル電流検出回路 ２１ ＣＰＵ ２２ バイアス電圧印加回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｂ 21/30 Ｚ 7617−2Ｆ Ｇ１１Ｂ 9/00 9075−5Ｄ Ｈ０１Ｌ 41/09 41/187

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電体薄膜の上下面に、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設けてなる薄
   膜カンチレバー状変位素子において、該圧電体薄膜が単
   一層でかつ上下電極が同一形状からなり、 さらに、該圧電体薄膜が、不純物添加により半導体化さ
   れた圧電材料、もしくは半導体化せしめることが可能な
   圧電材料よりなることを特徴とするカンチレバー状変位
   素子。
2. 【請求項２】 圧電体薄膜に用いる圧電材料が、Ｚｎ
   Ｏ、ＢａＴｉＯ₃ 、ＰｂＴｉＯ₃ 、Ｐｂ（Ｚｒ_x Ｔｉ
   _1-x ）Ｏ₃ （０＜ｘ≦１）、（Ｂａ_1-x Ｓｒ_x ）ＴｉＯ
   ₃ （０＜ｘ≦１）、Ｂａ_1-x-y Ｐｂ_x Ｓｒ_y Ｔｉ_1-x Ｚ
   ｒ_z Ｏ₃ （０＜ｘ＜０．５、０＜ｙ＜０．５、０＜ｚ＜
   ０．５）のいずれか、もしくは該圧電材料に不純物を添
   加したもののいずれかであることを特徴とする請求項１
   記載のカンチレバー状変位素子。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載のカンチレバー状
   変位素子の上面自由端部に、情報入出力用探針を設けた
   ことを特徴とするカンチレバー型プローブ。
4. 【請求項４】 請求項３に記載のカンチレバー型プロー
   ブを有することを特徴とする走査型トンネル電子顕微
   鏡。
5. 【請求項５】 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３に記載のカンチレバー型プローブを有することを
   特徴とする情報処理装置。