JPH06132579A - 変位素子及びそれを用いたプローブ、同プローブを有する機器 - Google Patents

変位素子及びそれを用いたプローブ、同プローブを有する機器

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JPH06132579A
JPH06132579A JP5203709A JP20370993A JPH06132579A JP H06132579 A JPH06132579 A JP H06132579A JP 5203709 A JP5203709 A JP 5203709A JP 20370993 A JP20370993 A JP 20370993A JP H06132579 A JPH06132579 A JP H06132579A
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film
displacement element
piezoelectric
probe
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Takehiko Kawasaki
岳彦 川崎
Yoshio Suzuki
義勇 鈴木
Keisuke Yamamoto
敬介 山本
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Canon Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 走査型トンネル顕微鏡、情報処理装置等に用
いられる集積化可能な変位素子及びカンチレバー型プロ
ーブを提供する。 【構成】 Ｓｉ単結晶基板１上に下部電極２，第１の圧
電体膜３，中電極４，第２の圧電体膜５，上部電極６を
積層した変位素子の、上記各電極材料にＰｔ又はＰｄを
用いる。 【効果】 上記電極材料で形成された電極膜は、圧電体
膜形成後の内部応力が非常に小さいため、圧電体膜と電
極膜との界面のはがれが無く、集積化可能な変位素子を
歩留良く提供することができ、この変位素子にチップ７
を設けたカンチレバー型プローブを用いた走査型トンネ
ル顕微鏡並びに情報処理装置は、信頼性、安定性に優れ
た装置となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、逆圧電効果により変位
するカンチレバー型変位素子、及びそれを用いたカンチ
レバー型プローブ、及び前記プローブを具備する走査型
トンネル顕微鏡並びに情報処理装置に関する。
【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、ＳＴ
Ｍ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
ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓ
ｃｏｐｙ／Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，’８９，Ｓ１３
−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（ＵＳＰ４５７５８２２）。
【０００４】かかる装置においては、試料を探針（プロ
ーブ）で数ｎｍ〜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
ｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ／Ｓｐｅｃｔｒｏｓ
ｃｏｐｙ，‘８９，Ｓ１０−２）。
【０００６】図５（ａ）はその斜視図であり、図５
（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面図である。基板１上に２分割
電極２ａ，２ｂ−ＺｎＯ圧電体３−中電極４−ＺｎＯ圧
電体５−２分割電極６ａ，６ｂと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。上記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等の探針７が接着等により取
りつけられ、引き出し電極１６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。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。
【０００８】更に、このようなカンチレバーに用いられ
る電極材料としては、Ａｌ、Ａｕが主に用いられ、素子
が作製されている。いずれの上記材料も比較的低融点で
あるため電極形成時の薄膜化が容易であるという特長が
ある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５に
示した素子の作製においては、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、基板をエッチ
ング除去して作製する薄膜の構造物であるカンチレバー
は、各々の層の応力に依存して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。
【００１０】特に圧電体膜は窒化物、酸化物で構成され
ており、電極として主に使用される金属との界面は、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
力を発生する場合があり、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、全体に対して無視できる値ではなくなってし
まう。特に、電極膜と圧電体膜の間に大きな内部応力の
差があると問題が大きく、このため、いずれの膜も内部
応力が小さく、しかもその差が小さいことが望ましい。
【００１１】また、Ａｌのような卑金属を電極材料とし
て用いた場合は、腐食等が懸念されるためパシベーショ
ン膜を設けることが望ましいが、このような薄膜カンチ
レバーの場合、パシベーション膜を積層することは上記
の応力制御を更に困難とし、しかも素子自体が屈曲動作
をするものであるだけにパシベーションクラックの発生
が予想される。このため耐久性の高い素子を作製するた
めには高度な技術が必要とされる。
【００１２】また電極材料としてＡｕを用いた場合、貴
金属であることから化学的安定性は高く、圧電体との反
応も少ないなど非常に優れた特性を持つが、大きな内部
応力が電極内に残留してしまうことがあった。図３に各
種金属薄膜の内部応力の熱処理依存性を示す。熱処理温
度は圧電体として用いられる酸化亜鉛等で良好な結晶性
の薄膜を得るのに必要な基板温度である２００℃であ
る。この図に示したようにＡｕは成膜直後は比較的小さ
な内部応力しか持たないが、２００℃の熱処理で、大き
な引っ張り応力となってしまう。このため圧電体を成膜
した後のＡｕ電極内部には大きな内部応力が残留するこ
とになり、これに起因する膜はがれが発生することがあ
った。
【００１３】以上のことに鑑み、本発明の目的とすると
ころは、上記問題点を解決し、圧電体膜と電極との界面
のはがれがなく、集積化可能なカンチレバー型変位素子
を歩留良く提供することであり、更にはこれを用いたカ
ンチレバー型プローブ及びこのカンチレバー型プローブ
を用いた走査型トンネル顕微鏡並びに情報処理装置を提
供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明によれ
ば、圧電体膜形成のための熱処理後の内部応力が非常に
小さい材料を電極に用いることにより、圧電体膜と電極
との界面のはがれを無くしたものである。
【００１５】即ち、本発明は、第一に、圧電体膜の上下
面に、前記膜を逆圧電効果により変位させるための電極
を設けたカンチレバー型変位素子であって、前記電極
を、Ｐｔ又はＰｄを以て形成したことを特徴とするカン
チレバー型変位素子であり、第二には、上記、第一の発
明であるカンチレバー型変位素子を有し、前記素子の自
由端部にチップを設けたことを特徴とするカンチレバー
型プローブであり、第３には、上記、第２の発明である
カンチレバー型プローブ具備し、前記プローブを以て、
これに対向する試料の情報を読み出すことを特徴とする
走査型トンネル顕微鏡であり、第四には、上記、第二の
発明であるカンチレバー型プローブを具備し、前記プロ
ーブを以て、これに対向配置した媒体への情報の書き込
み、及び／又は前記媒体からの情報の読み出しを行うこ
とを特徴とする情報処理装置である。
【００１６】まず、本発明の変位素子の電極に用いるＰ
ｔ及びＰｄ薄膜の内部応力について説明する。図３に示
した各種金属薄膜の内部応力の熱処理依存性において、
前述のＡｕが圧電体の成膜温度と同じ熱処理により大き
な内部応力を持つようになるのに対して、Ｐｔの場合
は、成膜直後はかなり大きな圧縮応力を持つものの、圧
電体膜形成時の温度と同じ２００℃の熱処理後には応力
が緩和され非常に小さな内部応力しか持たなくなる。ま
た、Ｐｄの場合は、成膜直後の圧縮応力も小さく、２０
０℃の熱処理後の内部応力も小さい。このことより、Ｐ
ｔ又はＰｄを電極材料として用いることで、実際に電極
薄膜と圧電体薄膜を積層し素子を作製した後の、電極薄
膜内部応力を非常に小さいものとすることができる。
【００１７】上記Ｐｔ及びＰｄは、いずれも比較的高融
点であるため、その薄膜形成法としては主にスパッタリ
ング法が用いられ、その中でも高周波スパッタリング法
や、イオンビームスパッタリング法が主に用いられる。
その他の方法としては主に電子ビームによる加熱を用い
た蒸着法も用いることができ、更にこれを応用したイオ
ンプレーティング法やイオンビーム蒸着法も用いられ
る。
【００１８】上記Ｐｔ及びＰｄ薄膜は、その結晶がいず
れも（１１１）に強く配向した薄膜であることが好まし
い。Ｘ線回折法を用いて薄膜の結晶配向性を評価する
と、配向が弱い場合、（１１１）による回折線の他に、
他の面、例えば（２００）面による回折線が見られるよ
うになる。本発明の素子に用いるＰｔ及びＰｄ電極薄膜
についてＸ線回折測定を行い、それぞれの面による回折
線の強度を、Ｉ(111) 及びＩ(200) とし、その比を取っ
た場合、以下のような薄膜であることが好ましい。
【００１９】Ｉ(200) ／Ｉ(111) ＜０．０２
【００２０】下地の電極薄膜をこのようなものとするこ
とで、積層する圧電体薄膜の電気特性を向上させること
ができる。
【００２１】このような配向性の高い電極薄膜を作製す
るためには電極薄膜の膜厚は２０ｎｍ以上とすることが
好ましい。これ以下の膜厚では、基板と電極薄膜のミス
マッチ等により界面に生じる配向の乱れた層の影響が大
きく、電極薄膜全体に対して支配的になってしまうため
である。
【００２２】更に、圧電体膜についても同様のことがあ
り、配向性の高い薄膜とするために圧電体膜の膜厚は５
０ｎｍ以上とすることが好ましい。
【００２３】圧電体膜に用いられる材料としては、Ａｌ
Ｎ、ＺｎＯ、Ｔａ2 Ｏ3 、ＰｂＴｉＯ3 、Ｂｉ4 Ｔｉ3
Ｏ12、ＢａＴｉＯ3 、ＬｉＮｂＯ3 など、圧電性を持つ
材料であれば特に限定されないが、比較的低い基板温度
で成膜できるＡｌＮ、ＺｎＯが好ましい。
【００２４】また、圧電体膜の形成法としては特に限定
されないが、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾル・ゲ
ル法などが用いられ、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。
【００２５】本発明の変位素子の構成は、下部電極−圧
電体薄膜−中電極−圧電体薄膜−上電極の順に５層の積
層構成を持つ所謂バイモルフ構造のものや、単一層の圧
電体薄膜の上下面に電極を持ち、更にその上下いずれか
の面に弾性体薄膜を設けた構造のものなど、圧電体薄膜
とその上下面に該圧電体薄膜を逆圧電効果により変位さ
せるための電極を持つ構造であれば任意にその構成を選
ぶことができる。さらには、電極を任意に分割した構造
とし、所望の方向への変位を起こさせる構造とすること
もできる。
【００２６】また本発明の変位素子を用いたカンチレバ
ー型プローブは、素子の自由端部に情報入出力用のチッ
プを設けることで作製される。この情報入出力用のチッ
プの材料としてはＰｔ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｐｄなどの貴金属
や、Ｗなどの金属、これらの合金類や積層したもの、あ
るいはＴｉＣなどが用いられる。このチップは、上記材
料の小片を接着したり、上記材料の薄膜を堆積したりし
た後、必要であればエッチングや電解研磨などで所望の
形態に加工し作製することができる。
【００２７】次に、図面を用いて本発明を説明する。
【００２８】本発明の代表的な例のカンチレバー型変位
素子及びそれを用いたカンチレバー型プローブの素子の
概略図及び作製方法の断面図を、図１（ａ）〜（ｅ）に
示す。
【００２９】本発明の変位素子は、図１（ａ）に示すよ
うに基板１上にまず下部電極２を形成する。次に図１
（ｂ）に示すように第一の圧電体薄膜３を形成する。そ
れに続いて図１（ｃ）に示すように同様にして中電極
４、第二の圧電体薄膜５、上部電極６の順に積層して堆
積する。また各層を堆積する時、あるいは積層して堆積
した後でパターニングを行い、所望のカンチレバーの形
状に加工する。その後に図１（ｄ）に示したように素子
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。
【００３０】また該変位素子を用いたカンチレバー型プ
ローブは、図１（ｅ）に示すように、該変位素子の自由
端部に情報入出力用のチップ７を設けることで作製され
る。
【００３１】上記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エットエッチン
グを組み合わせて行う。また、素子下部の基板１の除去
には、基板の異方性エッチングを用いて行うことができ
る。該基板に通常用いるＳｉの場合は、代表的な方法と
してＳｉ3 Ｎ4 ，ＳｉＯＮ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。
【００３２】また、本発明の変位素子全体の厚さは、駆
動電圧に対する変位量を大きく保ち、微細加工を可能と
するために、５μｍ以下であるのが好ましく、これによ
り、変位量が大きく更には、集積化可能な薄膜カンチレ
バー状変位素子を歩留良く提供することが可能となる。
【００３３】次に、上記本発明のカンチレバー型プロー
ブを用いた情報処理装置並びに走査型トンネル顕微鏡の
ブロック図の一例を図４に示す。図４において、９は本
発明のカンチレバー型プローブ、１０は記録再生あるい
は顕微鏡観察を行う試料、１１は試料を走査するための
ｘ−ｙステージ、１２はカンチレバー型プローブ９にバ
イアス電圧を加えるためのバイアス電圧印加回路、１３
はトンネル電流検出回路、１４はカンチレバー型プロー
ブを動かすための駆動制御回路、１５は装置全体を制御
するためのＣＰＵである。
【００３４】図には、カンチレバー型プローブを１つだ
け示しているが、複数化、集積化したマルチカンチレバ
ー型プローブを用いることも可能である。
【００３５】図６に、複数化、集積化したマルチカンチ
レバー型プローブ及びそれを用いた情報処理装置並びに
走査型トンネル顕微鏡の概略図を示す。図６において、
９は本発明のカンチレバー型プローブ、１０は記録再生
あるいは顕微鏡観察を行う試料、１７は複数のカンチレ
バー型プローブの制御を行うためのＩＣである。尚、図
６では９個のカンチレバー型プローブを図示したが、個
数は必要に応じて任意に選ぶことができる。
【００３６】本装置では、カンチレバー型プローブ９に
て試料１０にチップ７を近づけた後（図中Ｚ方向）、試
料１０面内のｘ方向、ｙ方向をｘ−ｙステージ１１にて
走査し、チップ７と試料１０にバイアス電圧印加回路１
２より電圧を加え、そのとき観察されるトンネル電流を
トンネル電流検出回路１３で読み出し、像観察及び記録
再生を行う。試料１０とチップ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１４にて行う。これら
回路のシーケンス制御はＣＰＵ１５にて行う。図には示
していないがｘ−ｙステージ１１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。
【００３７】上記本発明のカンチレバー型プローブを用
いた情報処理装置並びに走査型トンネル顕微鏡では信頼
性、安定性に優れた情報の記録再生や、高分解能の表面
観察を行うことが可能である。
【００３８】
【実施例】次に、実施例を用いて本発明を説明する。
【００３９】実施例１ 本実施例では、図１に示したような本発明の変位素子を
作製した。以下、作製方法を説明する。
【００４０】まず、図１（ａ）に示したように、基板１
上に下部電極２を形成した。基板としては、Ｓｉ単結晶
上に後述する異方性エッチングのマスク層としてＳｉ3
Ｎ4を０．２μｍ堆積したものを用いた。下部電極２の
材料としてはＰｔを用い、形成方法としては高周波スパ
ッタリング法を用いた。形成条件はスパッタリングガス
として圧力０．５ｍＴｏｒｒのＡｒガスを用い、高周波
パワーを５００Ｗ、基板加熱は行わず、膜厚を０．１μ
ｍとして形成した。
【００４１】このようにして作製したＰｔ薄膜について
Ｘ線回折による結晶配向性の評価を行ったところ、（１
１１）面及び（２００）面からの回折線の強度Ｉ(111)
及びＩ(200) の強度比 Ｉ(200) ／Ｉ(111) は、０．０
１であった。
【００４２】続いて図１（ｂ）に示したように、その上
に第一の圧電体膜３を形成した。第一の圧電体膜３は、
圧電材料としてはＺｎＯを用い、高周波マグネトロンス
パッタ法を用いて成膜を行った。成膜条件はターゲット
にＺｎＯ焼結体を用い、ＡｒとＯ2 を１：１の比で混合
し、全圧を１５ｍＴｏｒｒとしたガスの雰囲気中で基板
温度２００℃としてスパッタリングを行い０．３μｍ堆
積した。
【００４３】さらに、図１（ｃ）に示したように、その
上に中電極４、第二の圧電体膜５、上部電極６の順に連
続的に堆積して形成した。中電極４、上部電極６はいず
れも下部電極２とまったく同様にして形成した。また第
二の圧電体膜５は第一の圧電体膜３とまったく同様にし
て形成した。
【００４４】その後、図１（ｄ）に示したように、通常
のフォトリソグラフィーにより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
て変位素子を作製した。本実施例で作製した変位素子の
形状は、長さ５００μｍ、幅５０μｍである。
【００４５】このようにして作製した変位素子の下部電
極２と中電極４の間、あるいは中電極４と上部電極６の
間に±３Ｖの電圧を印加した場合に、変位素子の先端部
は図１の上下方向に±３μｍ変位した。
【００４６】素子形成後の、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なかったとともに、素
子を駆動した場合にも発生せず、それによる動作不良も
一切観察されなかった。
【００４７】次に、図１（ｅ）に示すように、このよう
にして作製した変位素子を用いたカンチレバー型プロー
ブを、該変位素子の自由端部に情報入出力用のチップ７
を設けることで作製した。チップ７はＰｔ、Ｒｈ、Ｗな
どの金属片を接着もしくは金属膜を堆積、加工して、針
状に形成した。
【００４８】本実施例のカンチレバー型プローブを用い
て図４に示したようなＳＴＭによる情報処理装置を作製
した。
【００４９】この装置にて、試料１０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１２にて２００ｍＶの直流電圧をチップ７と試
料１０の間に加えた。この状態で試料１０に沿ってチッ
プ７を走査してトンネル電流検出回路１３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。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。
【００５０】実施例２ 本実施例では、図１に示したような本発明の変位素子を
作製した。以下、作製方法を説明する。
【００５１】まず、図１（ａ）に示したように、基板１
上に下部電極２を形成した。基板としては、Ｓｉ単結晶
上に後述する異方性エッチングのマスク層としてＳｉ3
Ｎ4を０．２μｍ堆積したものを用いた。
【００５２】下部電極２の材料としてはＰｔを用い、形
成方法としては高周波スパッタリング法を用いた。本実
施例においては密着層としてＴｉを用い、Ｐｔ成膜の前
に、スパッタリングガスとして２ｍＴｏｒｒのＡｒガス
を用い高周波パワーを１００Ｗとして２ｎｍ堆積した。
それに続いてＰｔを、形成条件はスパッタリングガスと
して圧力０．５ｍＴｏｒｒのＡｒガスを用い、高周波パ
ワーを５００Ｗ、基板加熱は行わず、膜厚を０．１μｍ
として形成した。
【００５３】このようにして作製したＰｔ薄膜について
Ｘ線回折による結晶配向性の評価を行ったところ、（１
１１）面及び（２００）面からの回折線の強度Ｉ(111)
及びＩ(200) の強度比 Ｉ(200) ／Ｉ(111) は、０．０
１５であった。
【００５４】続いて、図１（ｂ）に示したように、その
上に第一の圧電体膜３を形成した。第一の圧電体膜３
は、圧電材料としてはＡｌＮを用い、抵抗加熱蒸着法を
用いて成膜を行った。成膜条件は蒸発物質にＡｌを用
い、ＮＨ3 ガスを１０ｍｌ／ｍｉｎ．で基板付近に吹き
つけながら、基板温度２００℃として１．０μｍ堆積し
た。
【００５５】さらに、図１（ｃ）に示したように、その
上に中電極４、第二の圧電体膜５、上部電極６の順に連
続的に堆積して形成した。中電極４、上部電極６はいず
れも密着層を用いずに下部電極２と同条件で形成した。
また第二の圧電体膜５は第一の圧電体膜３とまったく同
様にして形成した。
【００５６】その後、図１（ｄ）に示したように、通常
のフォトリソグラフィーにより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
て変位素子を作製した。
【００５７】本実施例で作製した変位素子の形状は、長
さ５００μｍ、幅５０μｍである。
【００５８】このようにして作製した変位素子の下部電
極２と中電極４の間、あるいは中電極４と上部電極６の
間に±３Ｖの電圧を印加した場合に、変位素子の先端部
は図１の上下方向に±１．５μｍ変位した。
【００５９】素子形成後の、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なかったとともに、素
子を駆動した場合にも発生せず、それによる動作不良も
一切観察されなかった。
【００６０】また、実施例１と同様にしてチップ７を形
成して、図１（ｅ）に示したようなカンチレバー型プロ
ーブを作製し、更に図４に示したようなＳＴＭによる情
報処理装置を作製したところ、実施例１と同様に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。
【００６１】実施例３ 本実施例では、図１に示したような本発明の変位素子を
作製した。以下、作製方法を説明する。
【００６２】まず、図１（ａ）に示したように、基板１
上に下部電極２を形成した。基板としては、実施例１、
実施例２と同様のＳｉ単結晶上に後述する異方性エッチ
ングのマスク層としてＳｉ3 Ｎ4 を０．２μｍ堆積した
ものを用いた。下部電極２の材料としてはＰｄを用い、
形成方法としては高周波スパッタリング法を用いた。形
成条件は、スパッタリングガスとして圧力０．５ｍＴｏ
ｒｒのＡｒガスを用い、高周波パワーを５００Ｗ、基板
加熱は行わず、膜厚を０．１μｍとして形成した。
【００６３】このようにして作製したＰｄ薄膜について
Ｘ線回折による結晶配向性の評価を行ったところ、（１
１１）面及び（２００）面からの回折線の強度Ｉ(111)
及びＩ(200) の強度比 Ｉ(200) ／Ｉ(111) は、０．０
１５であった。
【００６４】続いて、図１（ｂ）に示したように、その
上に第一の圧電体膜３を形成した。第一の圧電体膜３
は、圧電材料としてはＺｎＯを用い、高周波マグネトロ
ンスパッタ法を用いて成膜を行った。成膜条件はターゲ
ットにＺｎＯ焼結体を用い、ＡｒとＯ2 を１：１の比で
混合し、全圧を１５ｍＴｏｒｒとしたガスの雰囲気中で
基板温度２００℃としてスパッタリングを行い０．３μ
ｍ堆積した。
【００６５】さらに、図１（ｃ）に示したように、その
上に中電極４、第二の圧電体膜５、上部電極６の順に連
続的に堆積して形成した。中電極４、上部電極６はいず
れも下部電極２とまったく同様にして形成した。また第
二の圧電体膜５は第一の圧電体膜３とまったく同様にし
て形成した。
【００６６】その後、図１（ｄ）に示したように、通常
のフォトリソグラフィーにより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
て変位素子を作製した。
【００６７】本実施例で作製した変位素子の形状は、長
さ５００μｍ、幅５０μｍである。
【００６８】このようにして作製した変位素子の下部電
極２と中電極４の間、あるいは中電極４と上部電極６の
間に±３Ｖの電圧を印加した場合に、変位素子の先端部
は図１の上下方向に±３μｍ変位した。
【００６９】素子形成後の、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なかったとともに、素
子を駆動した場合にも発生せず、それによる動作不良も
一切観察されなかった。
【００７０】また、実施例１と同様にしてチップ７を形
成して、図１（ｅ）に示したようなカンチレバー型プロ
ーブを作製し、更に図４に示したようなＳＴＭによる情
報処理装置を作製したところ、実施例１と同様に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。
【００７１】このようにして、電極材料としてＰｄを用
いた場合もＰｔを用いた場合と同様の良好な結果が得ら
れた。
【００７２】実施例４ 本実施例では、図２に示されるような本発明の変位素子
を作製した。図２は素子の概略図とその作製方法の断面
図である。
【００７３】本実施例の素子は、実施例１〜３と異な
り、圧電体膜が単層であり、かつ変位を起こさせるため
弾性体層が設けられた構造を持つものである。
【００７４】本実施例の圧電変位素子の作製方法を以下
に述べる。まず、図２（ａ）に示したように、Ｓｉ単結
晶基板１上に弾性体膜８を形成した。材料はＳｉ3 Ｎ4
でＣＶＤ法を用い、膜厚は０．２μｍとした。これに続
いてフォトリソグラフィー、ＣＦ4 によるドライエッチ
ングにより、弾性体膜８を所望の形状にパターニングを
行った。
【００７５】続いて、図２（ｂ）に示したように下部電
極２を形成した。下部電極２の材料としてはＰｔを用
い、形成方法としては高周波スパッタリング法を用い
た。形成条件はスパッタリングガスとして圧力０．５ｍ
ＴｏｒｒのＡｒガスを用い、高周波パワーを５００Ｗ、
基板加熱は行わず、膜厚を０．１μｍとして形成した。
【００７６】このようにして作製したＰｔ薄膜について
Ｘ線回折による結晶配向性の評価を行ったところ、（１
１１）面及び（２００）面からの回折線の強度Ｉ(111)
及びＩ(200) の強度比 Ｉ(200) ／Ｉ(111) は、０．０
１であった。
【００７７】これに続いて、その上に圧電体膜３を形成
した。圧電体膜３は、圧電材料としてはＺｎＯを用い、
高周波マグネトロンスパッタ法を用いて成膜を行った。
成膜条件はターゲットにＺｎＯ焼結体を用い、ＡｒとＯ
2 を１：１の比で混合し、全圧を１５ｍＴｏｒｒとした
ガスの雰囲気中で基板温度２００℃としてスパッタリン
グを行い０．３μｍ堆積した。さらに、その上に上部電
極６を堆積した。上部電極６は下部電極２とまったく同
様にして形成した。
【００７８】その後、図２（ｃ）に示したように、通常
のフォトリソグラフィーにより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
て変位素子を作製した。
【００７９】本実施例で作製した変位素子の形状は、長
さ５００μｍ、幅５０μｍである。
【００８０】このようにして作製した変位素子の下部電
極２と上部電極６の間に±３Ｖの電圧を印加した場合
に、変位素子の先端部は図２の上下方向に±１μｍ変位
した。
【００８１】素子形成後の、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なかったとともに、素
子を駆動した場合にも発生せず、それによる動作不良も
一切観察されなかった。
【００８２】また、実施例１と同様にしてチップ７を形
成して、図２（ｄ）に示したようなカンチレバー型プロ
ーブを作製し、更に図４に示したようなＳＴＭによる情
報処理装置を作製したところ、実施例１と同様に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。
【００８３】また、本実施例の素子において、電極材料
のみをＰｄに変え、他は全く同様にして作製した素子
も、同様に作動した。
【００８４】以上本実施例で示したように、このような
弾性体を用いた構成を持つ変位素子でもＰｔ、Ｐｄを電
極に用いることは有効であった。
【００８５】実施例５ 本実施例では、図１に示したような本発明の変位素子を
作製した。以下、作製方法を説明する。
【００８６】まず、図１（ａ）に示したように、基板１
上に下部電極２を形成した。基板としては、実施例１〜
３と同様のＳｉ単結晶上に後述する異方性エッチングの
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の材料としてはＰｔを用い、形成方
法としては電子ビーム蒸着法を用いた。基板加熱は行わ
ず、膜厚を０．２μｍとして形成した。なお、本実施例
においては、Ｐｔの下引層としてＴｉを５ｎｍ成膜して
いる。
【００８７】このようにして作製したＰｔ薄膜について
Ｘ線回折による結晶配向性の評価を行ったところ、（１
１１）面及び（２００）面からの回折線の強度Ｉ(111)
及びＩ(200) の強度比 Ｉ(200) ／Ｉ(111) は、０．０
１５であった。
【００８８】続いて、図１（ｂ）に示したように、その
上に第一の圧電体膜３を形成した。第一の圧電体膜３
は、圧電材料としてはＺｎＯを用い、高周波マグネトロ
ンスパッタ法を用いて成膜を行った。成膜条件はターゲ
ットにＺｎＯ焼結体を用い、ＡｒとＯ2 を１：１の比で
混合し、全圧を１５ｍＴｏｒｒとしたガスの雰囲気中で
基板温度２００℃としてスパッタリングを行い、１．０
μｍ堆積した。
【００８９】さらに、図１（ｃ）に示したように、その
上に中電極４、第二の圧電体膜５、上部電極６の順に連
続的に堆積して形成した。中電極４、上部電極６はいず
れも下部電極２とまったく同様にして形成した。ただし
下引き層は設けなかった。また第二の圧電体膜５は第一
の圧電体膜３とまったく同様にして形成した。
【００９０】その後、図１（ｄ）に示したように、通常
のフォトリソグラフィーにより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
て変位素子を作製した。本実施例で作製した変位素子の
形状は、長さ５００μｍ、幅５０μｍである。
【００９１】このようにして作製した変位素子の下部電
極２と中電極４の間、あるいは中電極４と上部電極６の
間に±３Ｖの電圧を印加した場合に、変位素子の先端部
は図１の上下方向に±３μｍ変位した。
【００９２】素子形成後の、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なかったとともに、素
子を駆動した場合にも発生せず、それによる動作不良も
一切観察されなかった。
【００９３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によるカン
チレバー型変位素子によれば、電極膜の内部応力が圧電
体膜形成後も非常に小さくすることができるため、圧電
体膜と電極との界面のはがれがなく、集積化可能な薄膜
カンチレバー状変位素子を歩留良く提供することが可能
となった。
【００９４】また、本発明の変位素子の自由端部に情報
入出力用のチップを設けたカンチレバー型プローブを用
いた情報処理装置並びに走査型トンネル顕微鏡では、信
頼性、安定性に優れた情報の記録再生や高分解能の表面
観察を行うことが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の代表的な例のカンチレバー型変位素
子、並びにカンチレバー型プローブの概略図及び作製工
程を説明する為の図である。
【図２】本発明の他の例のカンチレバー型変位素子、並
びにカンチレバー型プローブの概略図及び作製工程を説
明する為の図である。
【図３】変位素子の電極に用いられる各種金属の薄膜内
部応力の熱処理依存性を示す図である。
【図４】本発明のカンチレバー型プローブを用いたＳＴ
Ｍの原理を応用した情報処理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】複数化、集積化したマルチ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並びに走査型トンネ
ル顕微鏡の概略図である。
【符号の説明】
１ 基板 ２，２ａ，２ｂ 下部電極 ３ 第一の圧電体膜 ４ 中電極 ５ 第二の圧電体膜 ６，６ａ，６ｂ 上部電極 ７ チップ ８ 弾性体膜 ９ 本発明によるカンチレバー型プローブ １０ 試料 １１ ｘ−ｙステージ １２ バイアス電圧印加回路 １３ トンネル電流検出回路 １４ 駆動制御回路 １５ ＣＰＵ １６ 引き出し電極 １７ ＩＣ
───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｈ０１Ｊ 37/28 Ｚ Ｈ０１Ｌ 41/18 9274−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 41/18 １０１ Ａ

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧電体膜の上下面に、前記膜を逆圧電効
    果により変位させるための電極を設けたカンチレバー型
    変位素子であって、前記電極を、Ｐｔ又はＰｄを以て形
    成したことを特徴とするカンチレバー型変位素子。
  2. 【請求項２】 前記圧電体膜が、酸化亜鉛よりなる請求
    項１に記載の変位素子。
  3. 【請求項３】 前記圧電体膜が、窒化アルミニウムより
    なる請求項１に記載の変位素子。
  4. 【請求項４】 前記圧電体膜が、５０ｎｍ以上の膜厚で
    ある請求項１に記載の変位素子。
  5. 【請求項５】 前記電極の各々が、２０ｎｍ以上の膜厚
    である請求項１に記載の変位素子。
  6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかに記載のカンチ
    レバー型変位素子を有し、前記素子の自由端部にチップ
    を設けたことを特徴とするカンチレバー型プローブ。
  7. 【請求項７】 前記チップが、金属よりなる請求項６に
    記載のプローブ。
  8. 【請求項８】 前記チップに電圧印加回路を接続した請
    求項６又は７に記載のプローブ。
  9. 【請求項９】 請求項６〜８のいずれかに記載のカンチ
    レバー型プローブを具備し、前記プローブを以て、これ
    に対向する試料の情報を読み出すことを特徴とする走査
    型トンネル顕微鏡。
  10. 【請求項１０】 前記プローブを、複数個、備えた請求
    項９に記載の走査型トンネル顕微鏡。
  11. 【請求項１１】 請求項６〜８のいずれかに記載のカン
    チレバー型プローブを具備し、前記プローブを以て、こ
    れに対向配置した媒体への情報の書き込み、及び／又は
    前記媒体からの情報の読み出しを行うことを特徴とする
    情報処理装置。
  12. 【請求項１２】 前記プローブを、複数個、備えた請求
    項１１に記載の情報処理装置。
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