JPH06147884A - 薄膜変位素子及びそれを用いた走査型トンネル顕微鏡、情報処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 積層数の少ないユニモルフ構造の薄膜変位素
子において基板面と垂直方向の変位に加えて基板面と平
行方向の変位を実現することにある。 【構成】 薄膜圧電体、薄膜電極及び弾性体を有する薄
膜変位素子において、一端を基板に固定された基部カン
チレバー状変位体９の先端に、該基部カンチレバーの長
さ方向と直交する枝部カンチレバー状変位体１１を設
け、かつ該枝部カンチレバーの根元付近を湾曲１０さ
せ、枝部カンチレバーの長さ方向を基板面と直交させた
ものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、片持ち梁り（カンチレ
バー）構造の変位素子（アクチュエータ）と、それらを
同一基板上へ複数配置した集積化アクチュエータ、個々
のアクチュエータに探針（プローブ）を取り付けたマル
チプローブ式の走査型トンネル顕微鏡、またそれらを応
用した情報の記録再生等を行う情報処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭと略
す）は、先鋭な導電性プローブを試料表面に数ｎｍ以下
に接近させた時に、その間の障壁を通り抜けて電流が流
れるトンネル効果を利用したものである。［Ｇ．Ｂｉｎ
ｎｉｇ ｅｔ ａｌ．，Ｈｅｌｖｅｔｉｃａ Ｐｈｙｓ
ｉｃａ Ａｃｔａ，５５，７２６（１９８２）、米国特
許第４３４３９９３号］。

【０００３】このＳＴＭの原理を応用して、高密度な情
報処理（記録再生）を行う装置が、特開昭６３−１６１
５５２号公報，特開昭６３−１６１５５３号公報等に提
案されている。これはＳＴＭと同様のプローブを用い
て、プローブと記録媒体間にかかる電圧を変化させて記
録を行うものである。

【０００４】従来このようなＳＴＭのプローブとしては
静電駆動方式のものや、圧電体薄膜を用いたものがあっ
た。

【０００５】圧電体薄膜を用いたものはカンチレバー型
のものが一般的に知られており、一方向へのみ変位可能
なユニモルフ型と２方向以上へ変位可能なバイモルフ型
が有る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、単純な
ユニモルフ構造では基板面と垂直方向の変位以外利用す
ることが難しく、またバイモルフ型は薄膜の積層回数が
多くなるため工程数が増え、作製には高度な技術が必要
であった。

【０００７】またカンチレバーの先端部に探針を形成し
走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡のプローブとし
て用いる場合にも、基板面に対して垂直方向にアスペク
ト比の高い構造物を形成しなければならず、高度の技術
的手法が必要であった。

【０００８】そこで、本発明は積層数の少ないユニモル
フ構造の薄膜変位素子において、基板面と垂直方向の変
位に加えて基板面と平行方向の変位をも実現し、同時に
走査型トンネル顕微鏡の探針として有利な基板面に垂直
なアスペクト比の大きな構造物を実現することのできる
薄膜変位素子、及びそれを用いた走査型トンネル顕微鏡
及び情報処理装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の構成は以下の通りである。

【００１０】第１に、薄膜圧電体、薄膜電極及び弾性体
を有する薄膜変位素子において、一端を基板に固定され
た基部カンチレバー状変位体の先端に、該基部カンチレ
バーの長さ方向と直交する枝部カンチレバー状変位体を
設け、かつ該枝部カンチレバーの根元付近を湾曲させ、
枝部カンチレバーの長さ方向を基板面と直交させること
により、基板面に対して、垂直及び平行方向の変位を可
能とした点にある。

【００１１】第２に、前記枝部カンチレバー状変位体の
根元に形成した湾曲部に、加熱により収縮し引張応力を
発生させる金属薄膜を用いた前記第１に記載の薄膜変位
素子とした点である。

【００１２】第３に、薄膜圧電体として酸化亜鉛を用い
たことを特徴とする前記第１及び第２記載の薄膜変位素
子にある。

【００１３】第４に、前記第１に記載の枝部カンチレバ
ー状変位体の先端部に導電性の探針とその引出し電極を
設けたことを特徴とする前記第１〜３のいずれかに記載
の薄膜変位素子としている点にある。

【００１４】第５に、前記第１〜４のいずれかに記載の
薄膜変位素子を同一のシリコン単結晶基板上へ複数配置
した点である。

【００１５】第６として、前記第１〜５のいずれかに記
載の薄膜変位素子を有することを特徴とする走査型トン
ネル顕微鏡としている点である。

【００１６】第７は、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、前記第
１〜５のいずれかに記載の薄膜変位素子を用いた情報処
理装置としている点である。

【００１７】以下、本発明の構成及び作用を具体的な実
施例に基づいて説明する。

【００１８】

【実施例】実施例１ 図１は本発明の特徴を最も良く表す構成図であり、図
２，図３，図４はそれぞれ図１中のＡ−Ａ’面，Ｂ−
Ｂ’面，Ｃ−Ｃ’面における断面図である。

【００１９】これらの図において、１は基板であり、２
は下部弾性体であり導電性物質よりなり下電極も兼ねて
いる。３は圧電体、４は基部上電極、５は枝部上電極、
６は収縮層、７は信号引出し電極、８は探針である。

【００２０】以上の様な構成により９の基部カンチレバ
ー、１０の湾曲部、１１の枝部カンチレバーが形成され
ている。枝部カンチレバー１１は基部カンチレバー９の
長さ方向に対して直角に形成されており、かつ湾曲部１
０により基部カンチレバー９のレバー面に対して垂直に
なる位置まで曲げられている。

【００２１】ここで圧電体３はその圧電分極軸が矢印１
２の方向に配向させて形成されており、電圧印加により
ｄ₃₁の逆圧電効果で伸長または収縮させることができ
る。各電極は、下部弾性体２を共通のグランドとし、基
部上電極４、枝部上電極５が基板１上へ個別に引出され
ており、この部分を通して電圧印加が出来るようになっ
ている。

【００２２】上記の様な構成にした後、所定の駆動電圧
を加え圧電体を伸長または収縮させることにより、基部
カンチレバー９は図１中のｚ方向で屈曲変位を行う。ま
た枝部カンチレバー１１はｙ方向へ屈曲変位させること
ができ、２方向へ変位可能なユニモルフの薄膜変位素子
を実現できる。

【００２３】次に湾曲部１０の形成法について説明す
る。湾曲部１０の上面には収縮層６が形成されており、
この収縮層６は成膜後の加熱処理より強い引張り応力を
発生する薄膜が用いられている。このような性質はスパ
ッタリング法によって形成された金属薄膜にしばしば現
れる性質であり、特に成膜時の基板温度を低温にし、ス
パッタガス圧を高くした場合に著しい。

【００２４】この様な性質を有する薄膜の一例として、
スパッタリング法で形成したＰｄ膜の膜応力の変化を示
すグラフを図５に示す。図５から分るように成膜時には
圧縮応力を有していた膜が加熱により強い引張り応力を
発生する。

【００２５】この様な膜を湾曲部１０の上面に形成し膜
厚と加熱温度を調節することにより、枝部カンチレバー
１１を図１のごとくｚ方向へ向けることができる。

【００２６】なお本実施例においては図３に示すように
湾曲部１０の位置において導電性の弾性体２を他の部分
よりも細くすることにより湾曲し易くしている。

【００２７】更に本発明においては信号引出し電極７を
枝部カンチレバー１１の先端部まで形成している。これ
により枝部カンチレバー１１の先端部を導電性の探針８
として用いることができる。

【００２８】このように導電性の探針８を先端部に設け
ることにより本発明による薄膜変位素子をＳＴＭのプロ
ーブとして用いることができる。即ち、各電極に所定の
駆動電圧を印加し、基部カンチレバー９を屈曲変位さ
せ、探針８を観察対象の表面へ接近させる。表面が導電
性を持つ場合探針８と表面との距離が数ｎｍ程度まで近
づくと、探針８と表面との間に、トンネル電流が流れ
る。このトンネル電流は探針８と先端との距離により指
数関数的に変化するため、信号引出し電極７を通してこ
のトンネル電流を取り出して増幅を行い、基部カンチレ
バー９の駆動電圧にフィードバックをかけることによ
り、探針８と表面までの距離を一定に保つことができ
る。この様な状態で枝部カンチレバー１１及び外部の微
小変位素子によりｘ，ｙ方向に走査することにより、フ
ィードバック電圧の変化から、極微小表面の凹凸、導電
率の変化を観察することが可能である。

【００２９】次に図６を用いて本実施例に係る薄膜変位
素子の製造方法の一例を説明する。

【００３０】先ず面方位（１００）の単結晶シリコン基
板１上へ減圧ＣＶＤ法によりＳｉ₃Ｎ₄ 膜を１５００Å
成膜し絶縁性の保護膜１３を形成する（図６（ａ）参
照）。次に密着性確保のためＣｒを５〜１０Å真空蒸着
したのち、Ａｕを２０００Å蒸着する。この蒸着工程に
おいて基板は２００℃に加熱されており、後工程での加
熱による金属薄膜の収縮を出来るだけ小さくしている。
金属薄膜形成後、感光性レジストを塗布して一般的なフ
ォトリソグラフにより不要部のＡｕ／Ｃｒをエッチング
除去し導電性の下部弾性体２を形成する（図６（ｂ）参
照）。

【００３１】次にその上にスパッタ蒸着法によりＺｎＯ
を４０００Å形成し、圧電体３を形成する。この上に感
光性レジストを塗布し、パターニングを行いエッチング
にて不要部分のＺｎＯを除去する（図６（ｃ）参照）。

【００３２】再びＡｕを５００Å成膜し、フォトリソグ
ラフによりパターニングを行い、基部上電極４，枝部上
電極５，信号引出し電極７を形成する（図６（ｄ）参
照）。

【００３３】次に一般的にリフトオフ法と呼ばれる手法
を用いて収縮層６を形成する。即ち、感光性レジストを
塗布し収縮層６を形成する部分のみレジストを除去し、
圧電体３の表面を露出させる。この状態でスパッタ蒸着
によりＰｄを２０００Å全面に成膜し、その後溶剤でレ
ジストを除去することによりレジスト上へ形成された薄
膜は除去される（図６（ｅ）参照）。

【００３４】この後Ｓｉ単結晶基板１の裏面より面方位
によりエッチング速度の大きく異ることを利用した異方
性エッチングを行い、Ｓｉ₃ Ｎ₄ の位置までＳｉを除去
する（図６（ｆ）参照）。反応性イオンエッチング（Ｒ
ＩＥ）によりＳｉ₃ Ｎ₄ 膜を取り除き、基部カンチレバ
ー９，湾曲部１０，枝部カンチレバー１１を形成する
（図６（ｇ）参照）。

【００３５】以上の一連の工程によりＬ字型の構造を形
成した後２００℃の加熱処理を行い収縮層６に引張り応
力を発生させ枝部カンチレバー１１を上方へ反らせるこ
とにより、本実施例における薄膜変位素子を形成する。

【００３６】上記の作製例においてフォトリソグラフに
用いたエッチング液は、Ａｕに対してはＫＩ：Ｉ₂ 水溶
液、ＺｎＯに対しては酢酸水溶液、Ｃｒに対しては（Ｎ
Ｈ₄）₂ Ｃｅ（ＮＯ₃ ）₆ ；ＨＣｌＯ₄ 水溶液を用い
た。またＳｉの異方性エッチングにはＫＯＨ水溶液を用
い、反応性イオンエッチングにはＣＦ₄ ガスを用いた。
電極及び弾性体として用いた金属はここで使用したもの
に限定されるものではなく、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｐｔ，
Ｗ等他の物質を用いること可能である。同様に圧電体も
ＺｎＯ以外にＡｌＮ，Ｔａ₂ Ｏ₅ ，ＰＺＴ，ＢａＴｉＯ
₃ 等他の物質を用いることができる。

【００３７】以下に本実施例で作製した薄膜変位素子の
各部の寸法及び駆動特性の一例を示す。

【００３８】 基部カンチレバー９の長さ ４００μｍ 幅２００
μｍ 枝部カンチレバー１１の長さ ２００μｍ 幅 ５０
μｍ 湾曲部１０の長さ ２００μｍ 駆動電圧 最大 ３Ｖ 基部カンチレバー９の先端の最大変位量 ４μｍ 枝部カンチレバー１１の先端の最大変位量 １μｍ となった。

【００３９】以上本発明を用いることにより、バイモル
フ型に比べ積層数が少なく構造の簡単なユニモルフ型の
薄膜アクチュエータで２方向の精密微小変位を実現する
ことができた。

【００４０】また基板面より垂直方向にアスペクト比の
大きな構造体を形成しているため、その先端部をＳＴＭ
の探針として用いることが可能となった。

【００４１】実施例２ 図７及び図８は、実施例１において説明したカンチレバ
ー状変位体を有する薄膜変位素子を、同一のシリコン基
板１上に複数個作製してなる集積化アクチュエータ２０
を作製したものである。

【００４２】かかる集積化アクチュエータは、前述実施
例１で説明した作製方法において、フォトリソグラフの
パターンを拡張するだけでよい。このように、同一の基
板上へ複数のカンチレバーを同時に形成できるため、寸
法精度が非常に高く、各カンチレバー間の特性のばらつ
きも非常に小さく抑えることができる。

【００４３】また、基板としてＳｉ単結晶を用いること
により、トランジスタやダイオード等の半導体素子も同
一基板上へ集積化することが可能となり、トンネル電流
増幅やカンチレバー駆動用のアンプを一体化することが
できる。

【００４４】図８は本実施例の集積化アクチュエータを
用いたＳＴＭ装置を模式的に示した図である。これによ
り、集積化アクチュエータ２０を用い、観察対象２２の
表面上の複数の微小領域のＳＴＭ像を同時に観察するこ
とができる。同図において２１及び２３はｘ，ｙ，ｚ方
向に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には観察対象２２が固定されている。

【００４５】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。

【００４６】 集積化アクチュエータ２０の外径…４０×４０×１ｍｍ カンチレバーの本数 …９０本実施例３ 図９に実施例２で設目下集積化アクチュエータを用い
た、情報の記録・再生等を行える情報処理装置の模式図
を示す。

【００４７】同図において、１０３は電圧印加により抵
抗値が変化する記録層、１０２は金属電極層、１０１は
記録媒体基板である。２０１はＸＹステージ、２０２は
本発明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
をＺ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はトンネル電流検出器、３０２
は集積化アクチュエータをＺ軸方向に移動させるための
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は個々のカンチ
レバーを微小変位させる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。３０
６はこれらの操作を制御するコンピュータである。

【００４８】このようなシステム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となり、ま
たプローブを多数集積化し、それらを同時に走査するた
め、高速度の記録再生を行うことができる。

【００４９】このようなシステムに本発明の薄膜変位素
子によると、個々のプローブの分解能が向上し、記録再
生時のトラッキング性能が向上し、書込み、読取り時の
エラーの発生率を小さくすることができる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように圧電体と金属膜より
構成される薄膜変位素子において、基部カンチレバー先
端部に分枝したカンチレバー状の構造を設け、その枝部
カンチレバーの根元部分を湾曲させることにより以下の
様な効果が得られる。

【００５１】２方向の微小変位を、積層数が少なく製造
工程数の少ないユニモルフ型の変位素子で実現すること
ができた。これにより、変位素子作製の際の工程数削
減、歩留りの向上を実現できた。

【００５２】基板面に対して垂直方向にアスペクト比の
大きな構造体を形成することができ、高分解能なＳＴＭ
のプローブを実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１にて示す薄膜変位素子の構成図であ
る。

【図２】図１中Ａ−Ａ’面における断面図である。

【図３】図１中Ｂ−Ｂ’面における断面図である。

【図４】図１中Ｃ−Ｃ’面における断面図である。

【図５】収縮層の応力変化の特性図である。

【図６】実施例１にて示す薄膜変位素子の製造工程図で
ある。

【図７】実施例２にて示す集積化変位素子の構成図であ
る。

【図８】実施例２にて示す集積化変位素子を用いたＳＴ
Ｍの部分断面図である。

【図９】実施例３にて示す集積化変位素子を用いた情報
処理装置のブロック構成図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 下部弾性体 ３ 圧電体 ４ 基部上電極 ５ 枝部上電極 ６ 収縮層 ７ 信号引出し電極 ８ 探針 ９ 基部カンチレバー １０ 湾曲部 １１ 枝部カンチレバー １２ 圧電分極軸 １３ 保護膜 ２０ 集積化アクチュエータ ２１ 可動ステージ ２２ 観察対象 ２３ 可動ステージ 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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河田 春紀 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 (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄膜圧電体、薄膜電極及び弾性体を有す
   る薄膜変位素子において、一端を基板に固定された基部
   カンチレバー状変位体の先端に、該基部カンチレバーの
   長さ方向と直交する枝部カンチレバー状変位体を有し、
   かつ該枝部カンチレバーの根元付近の湾曲により、枝部
   カンチレバーの長さ方向が基板面と垂直方向であること
   を特徴とする薄膜変位素子。
2. 【請求項２】 前記枝部カンチレバーの湾曲部に加熱に
   より収縮する金属薄膜を用いたことを特徴とする請求項
   １に記載の薄膜変位素子。
3. 【請求項３】 前記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に記載の薄膜変位素
   子。
4. 【請求項４】 前記枝部カンチレバー状変位体の先端部
   に導電性の探針とその引出し電極を設けたことを特徴と
   する請求項１乃至３のいずれかに記載の薄膜変位素子。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれかに記載の薄膜
   変位素子が同一のシリコン単結晶基板上に複数配置され
   ていることを特徴とする薄膜変位素子。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれかに記載の薄膜
   変位素子を有することを特徴とする走査型トンネル顕微
   鏡。
7. 【請求項７】 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乃至５のいずれかに記載の薄膜変位素子を有する
   ことを特徴とする情報処理装置。