JPH0587514A

JPH0587514A - 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

Info

Publication number: JPH0587514A
Application number: JP3276331A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Kawasaki; 岳彦川崎; Yoshio Suzuki; 義勇鈴木; Keisuke Yamamoto; 敬介山本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1991-09-30
Publication date: 1993-04-06

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５の上下面に、該圧電体薄膜５を
圧電効果により変位させるための電極２，６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
が膜厚方向に分極軸の分極方向が異なって積層されてい
る複数の層３，４よりなる構成を持つカンチレバー状変
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．Ｂｉｎｎｉｇｅｔ．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
ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ
ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｒｉｎｇＭｉｃｒｏ
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
交するような組み合わせ、その交点に探針を配置したト
ライポッドや、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，ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎ
Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｖｏｌ．ＥＤ−２５，Ｎｏ．１０，
ｐｌ２４１，１９７８）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７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．Ａｌｂｒ
ｅｃｈｔ，”Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆ
ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎ
ｅｌｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉ
ｎｇｏｆ４ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣ
ｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎ
ｎｅｒｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ／Ｓｐｅｃｔｒｏ
ｓｃｏｐｙ，’８９，Ｓ１０−２）。

【０００６】また、図８は図７のカンチレバー長手方向
の断面図である。Ｓｉ基板上に２分割電極２ａ，２ｂ、
Ｚｎ０圧電体５ａ、中間電極１６、Ｚｎ０圧電体５６、
２分割電極６ａ，６ｂ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。

【０００７】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７が接着等により取りつけら
れ、引き出し電極１７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。

【０００８】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。

【０００９】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。

【００１０】一方、このようなバイモルフ構成のカンチ
レバー型アクチュエータには、上記のようなものの他
に、図９に示すような、厚み方向に分極処理を施した２
枚のＰＺＴの板を、分極方向を逆向きにしてエポキシ樹
脂を用いて貼り合せた、シリーズ型が知られている。こ
れは焼結体を用いるもので、図９において、１８ａ及び
１８ｂはＰＺＴ焼結板、１９ａ及び１９ｂは該ＰＺＴ焼
結板の分極方向、２及び６は電極である。

【００１１】このようなシリーズ型アクチュエータの動
作は、素子の片端を固定した後電極２と電極６の間にあ
る一方向に電解を印加すると、上下のＰＺＴ板１８ａ、
及び１８ｂは分極方向が異なるために板の面内方向にお
いて各々逆向きの伸び、または縮みの変位を示し、結果
として素子の自由端部が上または下方向に変位するもの
である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７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との
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。

【００１３】また、図９に示した装置においては、分極
処理を施した後の２枚のＰＺＴ板を張り合わせるといっ
た作製方法をとる必要があるため、厚さとしては数＋μ
ｍ〜数ｍｍの厚いＰＺＴ板が用いられており、微細化が
困難であり、複数化、集積化が困難であるという問題点
があった。また、この装置においては張り合わせた面を
持つためにくり返し変位を行った場合の耐久性が低いと
いう問題点があった。

【００１４】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、従来例の圧電体バイモルフか
らなるカンチレバーの、大きな変位量といった優れた特
長を生かしながら、積層した各々の層の応力制御を容易
とし、膜中のクラック、膜はがれのない、簡易な作製工
程で作製できる、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。

【００１５】

【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。

【００１６】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、膜厚方向に分極軸の分極方向が異
なって積層されている複数の層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。

【００１７】第２に、該圧電体薄膜が、薄膜堆積時にお
いて自発分極の方向が異なるように堆積された層が複数
層積層されたものよりな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。

【００１８】第３に、前記第１記載のカンチレバー状変
位素子の上面自由端部に、情報入出力用プローブを設け
たことを特徴とするカンチレバー型プローブである。

【００１９】第４に、前記第３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顕微鏡
である。

【００２０】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。

【００２１】次に、本発明のカンチレバー状変位素子の
動作原理を簡単に説明する。例えば、図２を用いて説明
すると、下部電極２と上部電極６の間に電界を印加した
場合、第１の圧電体薄膜層３、及び第２の圧電体薄膜層
４では分極の方向が異なるため、同一の印加電界に対し
て、第１の圧電体薄膜層３と第２の圧電体薄膜層４のう
ち片方は伸び側に変位し、もう片方は縮み側に変位する
現象が起こる。このため、カンチレバー（片持ちばり）
状変位素子の自由端部は大きく上、または下側に変位す
ることになる。

【００２２】かかる構成とすることにより、中間電極が
存在しないことになり、電極と圧電体の界面における応
力が発生する部分を減らすことができる。また分極方向
の異なる圧電体薄膜の分極方向の異なる２層の界面にお
いても、２層とも同じ結晶格子を持ち、かつ熱膨張係数
もほぼ同一であるので、この界面においてはほとんど応
力は発生しない。このように、界面に存在する内部応力
を極力減少することができる。更に圧電体の張りあわせ
面を持たないため、くり返し変位に対する耐久性も高
い。

【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、従来例の圧電体バイモルフからなるカ
ンチレバーにおける中間電極をなくすことができるた
め、圧電体薄膜の層間の応力制御が簡易に行えるように
なり、界面における膜はがれの問題が解決されるととも
に、圧電体膜の膜中のクラックの発生を抑制することが
できるようになり、複数化、集積化可能なくり返し変位
に対する耐久性の高い薄膜カンチレバー（片持ちばり）
状変位素子、及びそれを用いたカンチレバー型プローブ
を簡易な作製工程で安定して提供することが可能となっ
た。

【００２４】ここで、本発明の詳細を説明するために、
まず本発明に至る研究の過程について以下に述べる。

【００２５】（実験）：分極方向の異なる層の積層形
成、及び圧電変位素子の作成分極方向の異なる２層よりなる圧電体薄膜を連続的に積
層し、更にその積層した圧電体薄膜を用いて、本発明の
薄膜カンチレバー（片持ちばり）状変位素子を作製した
実験例について述べる。

【００２６】まず、図１（ａ）に示すように、基板１上
に下部電極２を形成した。基板１にはＳｉを用い、下部
電極２はＣｒ／Ａｕの積層膜を用い、通常の抵抗加熱蒸
着により形成した。

【００２７】次に、図１（ｂ）に示すように、圧電体薄
膜５を、第１の圧電体薄膜層３及び第２の圧電体薄膜層
４を連続的に積層して、堆積し形成した。その際、図３
に示したイオンビーム蒸着装置を用い、蒸着源９に薄膜
の原料物質を充填し加熱により蒸発させた。更にガス噴
出口１５から反応ガスを導入して基板面に吹きつけなが
ら、第１の圧電体薄膜層３と第２の圧電体薄膜層４では
イオン化電流と加速電圧を変化させて成膜した。

【００２８】まず、第１の層３を、上記の成膜条件でイ
オン化電流、加速電圧を適当な値を選んで堆積し、次に
蒸着を続けながら瞬間的にイオン化電流を増やし、加速
電圧を極性を逆転してそのまま成膜を続け、第２の層４
を堆積した。

【００２９】続いて、図１（ｃ）に示すように、上部電
極６を通常の抵抗加熱蒸着によりＡｕを蒸着して形成し
た。

【００３０】このようにして、下部電極２、圧電体薄膜
５、上部電極６を積層した後、図１（ｄ）に示すよう
に、カンチレバー型にパターニングして変位素子の作製
を行った。パターニングにはフォトレジストを用い反応
性イオンエッチング装置によりドライエッチングし、そ
の後レジストを剥離した。その後、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を行い、素子の片端
部を除いて素子下部の基板を除去し素子を作製した。

【００３１】このようにして作製したカンチレバー状変
位素子の下部電極２を接地した後上部電極６に＋の電界
を印加したところ素子の自由端部は上方に変位し、また
−の同じ大きさの電界を印加した場合は下方に同じ大き
さだけ変位した。

【００３２】以上述べたように、本発明のカンチレバー
状変位素子は、図１に示すように基板１上に下部電極
２、分極の方向が異なる複数の層、第１の層３、及び第
２の層４よりなる圧電体薄膜５、上部電極６の順で堆
積、パターニングされ、更に素子の片端部を除いて素子
下部の基板を除去して作製される。素子部のパターニン
グは通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィ
ーと、反応性イオンエッチング等によるドライエッチン
グや、酸、あるいはアルカリ等のエッチング液を用いた
ウェットエッチングを組み合わせて行う。

【００３３】又、電極等において適当なエッチング方法
のない場合は、リフトオフプロセスを用いる。素子下部
の基板の除去には、基板の異方性エッチングを用いて行
う。通常用いるＳｉの場合は、代表的な方法としてＳｉ
₃Ｎ₄をマスク層とし、このマスク層をパターニングし
た後、水酸化カリウム水溶液をエッチング液として用い
る方法がある。

【００３４】また、かかる変位素子を用いたカンチレバ
ー型プローブは、図２に示すように、素子の自由端部に
情報入出力用の探針７を設けることで作製される。又、
該カンチレバー型プローブを用いた情報処理装置はＳＴ
Ｍの原理を利用し、記録媒体との間に流れるトンネル電
流により記録、再生を行う。代表的な装置のブロック図
を図４に示す。またまったく同様の原理、方法でＳＴＭ
により表面観察を行うことができる。

【００３５】ここで、前記圧電体薄膜５に用いられる薄
膜材料としては、Ａ１Ｎ、ＺｎＯ、Ｔａ₂Ｏ₃、ＰｂＴ
ｉＯ₃、Ｂｉ₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂、ＢａＴｉＯ₃、ＬｉＮｂＯ
₃など、圧電性を持ち、かつ自発分極を行う材料であれ
ば特に材料に限定されることはない。

【００３６】また、前記圧電体薄膜５の作製方法として
は特に限定されないが、前述の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。

【００３７】また、圧電体薄膜堆積時の薄膜の分極方向
制御の方法としては、薄膜の作製方法によるが、それぞ
れの方法に対して概ね次のような手段が用いられる。（１）蒸着法（イオンビーム蒸着法を含む）・イオン化電流、加速電圧の制御（イオン化電流は０〜
５００ｍＡ、加速電圧は−１０ｋＶ〜＋１０ｋＶ程度の
範囲で、適当な値を選ぶ）・蒸発物質の交換（金属←→化合物）（２）スパッタ法・ターゲット物質の交換（金属←→化合物）（３）ＣＶＤ法・原料ガスの種類等である。

【００３８】また、多くの薄膜作製方法に共通の、薄膜
の分極方向制御の方法としては概ね次のようなものがあ
る。

【００３９】・基板温度の変更・圧電体薄膜への、異種元素のドーピング・アシスト条件の制御（プラズマ、活性ガス、光照射な
ど）・基板に対するバイアス電界の印加・各層の下地の状態の制御上記のよう分極方向の制御方法は単独に用いられるだけ
でなく、いくつかの方法を組み合わせて用いることもで
きる。また、圧電体薄膜堆積の全工程に連続的に用いら
れるだけではなく、各層間、あるいは成膜後に一時的に
用いることもできる。つまり、たとえば図１（ｂ）にお
いて第１の層３を堆積した後、一時的にプラズマを照射
して第１層３のある一定厚さの結晶状態を変化させ、次
に第１の層３と同じ条件で第２の層４を堆積すること
で、結果的に第２の層４の形成初期の分極方向を第１の
層３と逆向きにし、そのまま第２の層４全体の分極方向
を第１の層３と逆向きに形成するといったこともでき
る。

【００４０】また、下部電極２、上部電極６に用いる材
料としては、貴金属が好ましくＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどが
用いられる。また、圧電体薄膜５に用いる材料として比
較的低い基板温度で成膜できるＡ１Ｎ、ＺｎＯなどを用
いた場合は、Ａ１などの材料も用いることができる。ま
た、ＩＴＯなどの導電性酸化物を用いることもできる。
いずれの材料を用いた場合でも、基板１、圧電体薄膜５
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。これは、前述の実験で下部電極２に用いた
Ｃｒ／Ａｕ積層膜におけるＣｒなどである。

【００４１】

【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。

【００４２】（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。

【００４３】図１及び図２において、１は基板、２は下
部電極、５は積層して形成された圧電体薄膜で、分極の
方向が異なる複数の層、第１の圧電体薄膜層３、及び第
２の圧電体薄膜層４よりなる。６は上部電極、７は情報
入出力用の探針である。

【００４４】図３に、本実施例の素子における圧電体薄
膜５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、８は真空容器、９は
るつぼと加熱装置を具備する蒸発源、１０は基板ホルダ
ー、１１はイオン化のための電子放出源、１２は加速電
極、１３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。１
４は噴出した蒸気のイオンビーム、１５はガス噴出口で
ある。

【００４５】尚、真空容器８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９の温度、電子
放出源１１におけるイオン化電流、ガス噴出口１５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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】次に、図１（ｂ）に示すように、２層から
なる圧電体薄膜５を連続的に成膜した。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５の材料として、代表的な
圧電性材料のひとつであるＺｎＯを用いた。尚、圧電体
薄膜５の第１の層３及び第２の層４は、共にイオン化電
流及び加速電圧以外は、同一の成膜条件で成膜した。

【００４９】真空容器８を５×１０^-5Ｐａ以下の圧力ま
で排気し、蒸発源９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１５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。

【００５０】まず、圧電体薄膜５の第１の層３を上記の
成膜条件でイオン化電流を５０ｍＡ、加速電圧を０．５
ｋＶとし、膜厚を０．３μｍとして成膜し、続いて連続
的に第２の層４を上記の成膜条件でイオン化電流を１０
０ｍＡ、加速電圧を極性を逆転して−０．５ｋＶとし、
膜厚を０．３μｍとして積層して成膜した。

【００５１】圧電体薄膜５を成膜したのち、上部電極６
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５及び上部電極６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。

【００５２】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。

【００５３】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±５μｍ変位した。

【００５４】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。

【００５５】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７を設けることで作製した。探針７はＰｔ、Ｒ
ｈ、Ｗなどの金属片を接着して形成した。

【００５６】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２１にて試料２０に探針７を
近づけたのち（図上下方向）、試料２０面内のＸ方向、
Ｙ方向をＸ−Ｙステージ２２にて走査し、探針７と試料
２０にバイアス電圧印加回路２６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
４で読み出し像観察を行う。試料２０と探針７の間隔制
御とＸ−Ｙステージの駆動制御は駆動制御回路２３にて
行う。これら回路のシーケンス制御はＣＰＵ２５にて行
う。図には示していないが、Ｘ−Ｙステージ２２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。

【００５７】この装置にて、試料２０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２６にて２００ｍＶの直流電圧を探針７と試料
２０の間に加えた。この状態で試料２０に沿って探針７
を走査してトンネル電流検出回路２４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。

【００５８】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。

【００５９】（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５の材料としてＺｎＯを
用い、堆積をスパッタ法によって行い、第１の層３と第
２の層４における分極方向の反転を、スパッタターゲッ
ト種をＺｎとＺｎＯで変えて行った場合について述べ
る。

【００６０】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。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０．１μ
ｍ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。

【００６１】次に、図１（ｂ）に示すように、２層から
なる圧電体薄膜５を連続的に成膜した。成膜条件は、い
ずれのターゲットを用いたときも、基板温度が２００
℃、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。

【００６２】まず、圧電体薄膜５の第１の層３を上記の
成膜条件でＺｎターゲットを用いて、膜厚を０．３μｍ
として成膜し、続いて連続的に第２の層４を上記の成膜
条件でＺｎＯターゲットを用いて、膜厚を０．３μｍと
して積層して成膜した。

【００６３】圧電体薄膜５を成膜したのち、上部電極６
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５及び上部電極６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。

【００６４】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。

【００６５】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±５μｍ変位した。

【００６６】また、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７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。

【００６７】（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５の第１の層３と第２の
層４における分極方向の反転を、層間にＡｌをドープし
た部分を設けることで行った場合について述べる。

【００６８】実施例１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Ｐｔの
下部電極２を形成した後、図１（ｂ）に示すようにＺｎ
Ｏを材料とし、実施例１と同様のイオンビーム蒸着法を
用いて圧電体薄膜５の第１の層３を形成した。成膜条
件、膜厚も同様である。

【００６９】次に、基板温度を２００℃に保ったまま、
同一真空内でＡｌを０．００２μｍ蒸着した。このＡｌ
は、ＺｎＯ圧電体薄膜５の第１の層３の上部表面に拡散
し、表面部分のみを導電性とするとともに、結晶性を変
化させる。それに続いて圧電体薄膜５の第２の層４を、
第１の層３を成膜したのと全く同じ成膜条件、膜厚で成
膜した。

【００７０】圧電体薄膜５を成膜したのち、上部電極６
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５及び上部電極６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。

【００７１】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。

【００７２】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±５μｍ変位した。このように、実施例１と全
く同様の性能を持つカンチレバー状変位素子が作製でき
た。

【００７３】また、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７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。

【００７４】（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５の第１の層３と第２の
層４における分極方向の反転を、層間にＦなどのハロゲ
ンガスをドープした部分を設けることで行った場合につ
いて述べる。

【００７５】実施例１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Ｐｔの
下部電極２を形成した後、図１（ｂ）に示すようにＺｎ
Ｏを材料とし、実施例１と全く同様のイオンビーム蒸着
法を用いて圧電体薄膜５の第１の層３を形成した。成膜
条件も同様で、膜厚は同様に０．１μｍとした。この
際、第１の層３の最も上部の０．０５μｍを形成すると
き、すなわち、この層を堆積した最後の部分のみ、吹き
つけていた酸素ガス中にＦを５０％混入し、この部分の
みＦをドーピングし、薄膜の状態を変化させた。それに
続いて圧電体薄膜５の第２の層４を第１の層３を成膜し
たのと全く同じ成膜条件、膜厚で成膜した。

【００７６】圧電体薄膜５を成膜したのち、上部電極６
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５及び上部電極６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。

【００７７】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。

【００７８】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±５μｍ変位した。このように、実施例１と全
く同様の性能を持つカンチレバー状変位素子が作製でき
た。

【００７９】また、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７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。

【００８０】（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５の材料として強誘電体
であるＰｂＴｉＯ₃ を用い、第１の層３と第２の層４に
おける分極方向の反転を、第１の層堆積後に第１層の表
面をＡｒプラズマで照射して改質し、その上に堆積する
第２の層の結晶状態を変えることで行った例について述
べる。

【００８１】実施例１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Ｐｔの
下部電極２を形成した後、図１（ｂ）に示すようにＰｂ
ＴｉＯ₃を材料とし、高周波スパッタリングを用いて圧
電体薄膜５の第１の層３を形成した。成膜条件はターゲ
ットとしてはＰｂＴｉＯ₃ 焼結体を用い、基板温度は６
００℃、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。

【００８２】このようにして第１の層３を形成した後、
同一真空槽内で連続的にこの層の表面をＡｒのプラズマ
で照射した。この時の条件は、ガス圧は０．５Ｐａ、高
周波パワーを２００Ｗとし、約２分間プラズマにさらに
した。このようにして第１の層３の表面を改質した後、
それに続いて圧電体薄膜５の第２の層４を、第１の層３
を成膜したのと全く同じ成膜条件、膜厚で成膜した。

【００８３】圧電体薄膜５を成膜したのち、上部電極６
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５及び上部電極６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。

【００８４】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。

【００８５】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±８μｍ変位した。

【００８６】また、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７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。

【００８７】（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５の材料として強誘電体
であるＰｂＴｉＯ₃ を用い、第１の層３と第２の層４に
おける分極方向の反転を、第１の層堆積後に第１の層の
表面をＯ₂ プラズマで照射して改質し、その上に堆積す
る第２の層の結晶状態を変えることで行った例について
述べる。

【００８８】実施例１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Ｐｔの
下部電極２を形成した後、図１（ｂ）に示すようにＰｂ
ＴｉＯ₃を材料とし、イオンビーム蒸着を用いて圧電体
薄膜５の第１の層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、９のるつぼと加熱装置
を具備する蒸発源、１１のイオン化のための電子放出
源、１２の加速電極、１３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。真空容器８
を５×１０^-5Ｐａ以下の圧力まで排気し、２つの蒸着源
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１５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。ＰｂＯ、Ｔｉともにイオン化電
流は１００ｍＡ、加速電圧は０．５ｋＶとした。基板温
度は５００℃とした。膜厚は実施例１と同様とした。

【００８９】このようにして第１の層３を形成した後、
同一真空槽内で連続的にこの層の表面をＯ₂ とＡｒの混
合ガスのプラズマで照射した。この時の条件は、Ｏ₂ ：
Ａｒの比を２：１、ガス圧は０．５Ｐａ、高周波パワー
を２００Ｗとし、約２分間プラズマにさらにした。この
ようにして第１の層３の表面を改質した後、それに続い
て圧電体薄膜５の第２の層４を、第１の層３を成膜した
のと全く同じ成膜条件、膜厚で成膜した。

【００９０】圧電体薄膜５を成膜したのち、上部電極６
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５及び上部電極６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。

【００９１】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。

【００９２】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±８μｍ変位した。

【００９３】また、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７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。

【００９４】（実施例７）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５の材料として強誘電体
であるＰｂＴｉＯ₃ を用い、第１の層３と第２の層４に
おける分極方向の反転を、薄膜堆積時の基板温度を変え
ることで行った例について述べる。

【００９５】実施例１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Ｐｔの
下部電極２を形成した後、図１（ｂ）に示すようにＰｂ
ＴｉＯ₃を材料とし、ゾル・ゲル法を用いて圧電体薄膜
５の第１の層３を以下の方法で形成した。

【００９６】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３回
くり返して第１層３を０．３μｍの厚さに形成した。こ
れに続いて基板の温度を３００℃まで下げて、第１の層
３を形成したのと同様のスピンコーティングを行い、第
２の層４を形成した。ただし、この際１回のスピンコー
ティング工程で堆積される薄膜の厚さが０．０７５μｍ
となったので、スピンコーティング工程を４回くり返し
て第２の層４の厚さを０．３μｍとなるように形成し
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６００℃、１時間の熱処理を行って、圧電体
薄膜５を形成した。

【００９７】圧電体薄膜５を成膜したのち、上部電極６
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５及び上部電極６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。

【００９８】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。

【００９９】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±８μｍ変位した。

【０１００】また、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７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。

【０１０１】

【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、従来例の圧電体バイモルフからなるカンチレバ
ーにおける中間電極をなくすことができるため、圧電体
薄膜の層間の応力制御が簡易に行えるようになり、界面
における膜はがれの問題が解決されるとともに、圧電体
膜の膜中のクラックの発生を抑制することができるよう
になり、複数化、集積化可能なくり返し変位に対する耐
久性の高い薄膜カンチレバー（片持ちばり）状変位素
子、及びそれを用いたカンチレバー型プローブを、簡易
な作製工程で安定して提供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】実験−１において薄膜の評価を行うために作成
したユニモルフ型カンチレバー素子の断面図である。

【図６】実験−１における素子の変位量と、成膜時の加
速電圧、及びイオン化電流の関係を示すグラフである。

【図７】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８】図７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９】従来例のＰＺＴ板を貼り合わせたシリーズ型バ
イモルフアクチュエータの断面図である。

【符号の説明】１基板２，２ａ，２ｂ下部電極３第１の圧電体薄膜層４第２の圧電体薄膜層５，５ａ，５ｂ圧電体薄膜６，６ａ，６ｂ上部電極７情報入出力用の探針８真空容器９るつぼと加熱装置を具備する蒸発源１０基板ホルダー１１イオン化のための電子放出源１２加速電極１３加速のための電源１４噴出した蒸気のイオンビーム１５ガス噴出口１６中間電極１７引き出し電極１８ａ，１８ｂＰＺＴ板１９ａ，１９ｂＰＺＴ板の分極方向２０ＳＴＭ観察を行った試料２１カンチレバー型プローブ２２Ｘ−Ｙステージ２３駆動制御回路２４トンネル電流検出回路２５ＣＰＵ２６バイアス電圧印加回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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
カンチレバー状変位素子において、該圧電体薄膜が膜厚
方向に分極軸の分極方向が異なって積層されている複数
の層よりなる構成を持つことを特徴とするカンチレバー
状変位素子。
【請求項２】圧電体薄膜が、薄膜堆積時において自発
分極の方向が異なるように堆積された層が複数層積層さ
れたものよりな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。
【請求項３】請求項１又は２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。
【請求項４】請求項３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顕微鏡。
【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。