JPH06194157A - Positioning control method, facing method, tunneling microscope using it, and recording/reproducing device - Google Patents

Positioning control method, facing method, tunneling microscope using it, and recording/reproducing device

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JPH06194157A
JPH06194157A JP4346303A JP34630392A JPH06194157A JP H06194157 A JPH06194157 A JP H06194157A JP 4346303 A JP4346303 A JP 4346303A JP 34630392 A JP34630392 A JP 34630392A JP H06194157 A JPH06194157 A JP H06194157A
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piezoelectric element
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亮 黒田
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義勇 鈴木
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Abstract

PURPOSE:To easily measure the distance between the sample surface and a piezoelectric element by changing the cantilever type piezoelectric element at its natural frequency, and changing the admittance of the piezoelectric element. CONSTITUTION:A cantilever type piezoelectric element 1 formed with a Si substrate 2 and a sample 7 are arranged, and the element 1 is fixed to another expanding piezoelectric element 3. The bimorph type element 1 is driven by an AC power source 5 to make bending movement. The admittance of the element 1 can be measured by a voltmeter 6. The distance between the element 3 and the element 1 can be controlled by a variable DC power source 4. When voltage is applied to the element 3 from the power source 4 and the tip of the element 1 is brought into contact with the sample 7, the natural frequency is changed, and the admittance is changed. The element 3 is adjusted so that the element 1 is kept in no contact with the surface of the sample 7, then the bending movement of the piezoelectric element 1 is performed at the natural frequency by the power source 5. If the applied voltage when the element 1 is brought into contact with the sample 7 and the displacement quantity at the natural frequency are found, the distance between the stationary point at the tip of the element 1 and the surface of the sample 7 can be measured.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業状の利用分野】本発明は逆電圧効果により駆動す
るカンチレバー型圧電素子に関わるものであり、これを
用いて測定対象物との距離を計測する位置だし制御方
法、さらには、これを用いた面合わせ方法およびそれを
応用した記録再生装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cantilever type piezoelectric element driven by a reverse voltage effect, and a position control method for measuring a distance from a measuring object using the same, and further, a method of using the same. The present invention relates to a face-to-face matching method and a recording / reproducing device to which the same is applied.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年半導体プロセス技術を背景にして半
導体を機械的構造体として用いた半導体圧力センサー、
半導体加速センサー、マイクロアクチュエーター等の機
械的電気素子(マイクロメカニクス)が脚光を浴びるよ
うになってきた。
2. Description of the Related Art In recent years, a semiconductor pressure sensor using a semiconductor as a mechanical structure in the background of semiconductor process technology,
Mechanical electrical devices (micromechanics) such as semiconductor acceleration sensors and microactuators have come into the limelight.

【0003】かかる素子の特徴として、小型でかつ高精
度の機械機構部品を提供でき、かつ半導体ウエハを用い
るためにSiウエハ上に素子と電気回路を一体化できる
ことが挙げられる。また、半導体プロセスをベースに作
製することで、半導体プロセスのバッチ処理による生産
性の向上を期待できる。特に、圧電体薄膜を利用したカ
ンチレバー型圧電素子のものが挙げられ、これは非常に
微細な動きを制御することが可能なので、原子レベル、
分子レベルを直接観察できる走査型トンネル顕微鏡(以
下STMと称す)に応用されている。
Characteristic features of such an element are that it is possible to provide a small-sized and high-precision mechanical mechanism component, and since the semiconductor wafer is used, the element and the electric circuit can be integrated on the Si wafer. Further, by manufacturing the semiconductor process as a base, it can be expected that the productivity is improved by batch processing of the semiconductor process. In particular, there is a cantilever type piezoelectric element using a piezoelectric thin film, which can control extremely fine movements, so
It is applied to a scanning tunneling microscope (hereinafter referred to as STM) that can directly observe the molecular level.

【0004】例えば、スタンフォード大学のクエート等
により提案されたカンチレバー型圧電素子をもちいたS
TMプローブ(IEEE Micro Electro
Mechanical Systems,pl88−
199,Feb,1990)がある。これは図12に示
すようにSiウエハ1のウエハの裏面を一部除去してシ
リコンメンブレンを形成し、表面にAl4とZnO5の
薄膜を順次積層し、バイモルフのカンチレバーを形成し
た後、裏面より反応性のドライエッチによりシリコンメ
ンブレンとウエハ表面のエッチングの保護層(シリコン
窒化膜)を除去して、STMプローブ変位用のバイモル
フカンチレバー型圧電素子を作製している。このカンチ
レバーの上面自由端部にトンネル電流検知用プローブ1
を取り付け、良好なSTM像を得ている。
For example, S using a cantilever type piezoelectric element proposed by Kuwait et al. Of Stanford University.
TM probe (IEEE Micro Electro
Mechanical Systems, pl88-
199, Feb, 1990). As shown in FIG. 12, a back surface of the Si wafer 1 is partially removed to form a silicon membrane, thin films of Al4 and ZnO5 are sequentially laminated on the surface, a bimorph cantilever is formed, and then a reaction is performed from the back surface. By removing the silicon membrane and the etching protection layer (silicon nitride film) on the surface of the wafer by dry etching, a bimorph cantilever type piezoelectric element for STM probe displacement is manufactured. At the free end of the upper surface of this cantilever, a probe 1 for detecting a tunnel current is provided.
Is attached to obtain a good STM image.

【0005】また、STMの技術を応用した原子間力顕
微鏡(以後AFMと略す)が開発され[Binning
et al.,Phys.Rev.Lett.,5
6,930(1986)]、STMと同様、表面の凹凸
情報を得ることができるようになった。AFMは、試料
表面に対して1ナノメートル以下の距離まで接近させた
探針を支持するカンチレバー(弾性体)が、試料−探針
間に働く力を受けて、たわむ量から逆に力を検出し、こ
の力を一定にするように試料−探針間の距離を制御しな
がら試料表面を走査することにより、表面の三次元形状
をナノメートル以下の分解能で観察するものである。A
FMでは、STMのように試料が導電性を有する必要が
なく、絶縁性試料、特に半導体レジスト面や生体高分子
などを原子・分子のオーダーで観察可能であるため、広
い応用が期待されている。
An atomic force microscope (hereinafter abbreviated as AFM) to which the STM technique is applied has been developed [Binning
et al. , Phys. Rev. Lett. , 5
6, 930 (1986)], and STM, it has become possible to obtain surface irregularity information. The AFM detects the force from the amount of bending by the cantilever (elastic body) that supports the probe that is brought closer to the sample surface to a distance of 1 nanometer or less receives the force acting between the sample and the probe. Then, the three-dimensional shape of the surface is observed with a resolution of nanometer or less by scanning the surface of the sample while controlling the distance between the sample and the probe so as to keep this force constant. A
Unlike the STM, the FM does not require the sample to have electrical conductivity, and an insulating sample, particularly a semiconductor resist surface or a biopolymer, can be observed in the order of atoms and molecules, and thus is expected to be widely applied. .

【0006】さらに、AFMの原子間力の情報を探針と
サンプル表面とを原子間力が発生可能な距離に近付けた
状態で、カンチレバーの固有振動数からのシフトからそ
の原子間力を検出検出する方法も提案されている(特開
昭63−309802号公報)。
Further, the information on the atomic force of the AFM is detected and detected from the shift from the natural frequency of the cantilever while the probe and the sample surface are brought close to the distance at which the atomic force can be generated. A method of doing so has also been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 63-309802).

【0007】一方、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 I
nternational Conference o
n Scanning Tunnering Micr
oscopy/spectroscopy,’89,S
13−3)、及び記録再生装置の様々な分野への応用が
研究されている。なかでも、大容量を有する記録装置の
要求がますます高まっているコンピューターの計算情報
等への応用が研究されている。これは、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
算能力が向上したことに伴って記録装置の小型化が望ま
れているためである。
On the other hand, by using the STM method, observation and evaluation of semiconductor or polymer materials in atomic order and molecular order and fine processing (EE Ehrichs, 4th I
international Conference o
n Scanning Tuning Micr
oscopy / spectroscopy, '89, S
13-3) and application of the recording / reproducing apparatus to various fields have been studied. Among them, the application to computer calculation information and the like for which the demand for a recording device having a large capacity is increasing is being studied. This is because the miniaturization of the recording device has been desired along with the progress of the semiconductor process technology and the miniaturization of the microprocessor and the improvement of the calculation capability.

【0008】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形状を変化させる事により記録
書き込みし、形状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だしを行い最少記録面積が
10-4μm2となる情報処理装置が提案されている(U
SP4575822)。
For the purpose of satisfying these requirements, the shape of the surface of the recording medium is changed by applying a voltage from a converter composed of a tunnel current generating probe which is present on a driving means whose distance from the recording medium can be finely adjusted. An information processing apparatus has been proposed in which the minimum recording area is 10 −4 μm 2 by recording and writing information and reading the information by detecting the change in tunnel current due to the change in shape (U
SP4575822).

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ST
Mあるいは、AFMに用いるカンチレバー型圧電素子を
用いて、容易にサンプル表面とカンチレバー型圧電素子
との距離を計測するところにある。
The object of the present invention is to
This is to easily measure the distance between the sample surface and the cantilever type piezoelectric element by using M or the cantilever type piezoelectric element used for AFM.

【0009】以上が本発明の目的であり、これを達成す
べく位置だし制御法および面合わせ方法およびそれをも
ちいた記録再生装置を提供することにある。
The above is the object of the present invention, and it is an object of the present invention to provide a positioning control method and a surface alignment method and a recording / reproducing apparatus using the same in order to achieve this.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明の位置出し制御方
法は、カンチレバーの長手方向に直交する面での変位を
変化させるためのすくなくとも1層の圧電体層と、該圧
電層に電圧を印加するための電極とを具備するカンチレ
バー型圧電素子を用いた位置だし制御方法であって、
カンチレバーをその固有振動数で変位させ、圧電素子の
アドミッタンス変化により、サンプル表面との距離を計
測することを特徴とする。
According to the positioning control method of the present invention, at least one piezoelectric layer for changing the displacement of the cantilever in a plane orthogonal to the longitudinal direction, and a voltage is applied to the piezoelectric layer. A positioning control method using a cantilever type piezoelectric element having an electrode for
The cantilever is displaced at its natural frequency, and the distance from the sample surface is measured by the admittance change of the piezoelectric element.

【0011】また、圧電素子のアドミッタンスの周波数
特性から、サンプル表面との距離を計測することを特徴
とする。
Further, it is characterized in that the distance from the sample surface is measured from the frequency characteristic of the admittance of the piezoelectric element.

【0012】本発明の面合わせ方法は、カンチレバーの
長手方向に直交する面での変位を変化させるためのすく
なくとも1層の圧電体層と、該圧電層に電圧を印加する
ための電極とを具備するカンチレバー型圧電素子を用い
る面合わせ方法であって、前記カンチレバーを同一基板
上に少なくとも2本以上設け、各カンチレバーの固有振
動数で変位させ、前記固有振動数での圧電素子のアドミ
ッタンス変化によりサンプル表面との距離を各々計測
し、この複数の測定距離が近似あるいは一致するように
駆動させて前記基板とサンプルとの面合わせを行うこと
を特徴とする。
The face-matching method of the present invention comprises at least one piezoelectric layer for changing the displacement of the cantilever in a plane orthogonal to the longitudinal direction, and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric layer. A surface alignment method using a cantilever-type piezoelectric element, wherein at least two or more of the cantilevers are provided on the same substrate, the cantilevers are displaced by the natural frequency, and a sample is obtained by changing the admittance of the piezoelectric element at the natural frequency. It is characterized in that the distance between the substrate and the surface is measured, and the plurality of measured distances are driven so as to approximate or coincide with each other so that the surface of the substrate and the sample are aligned.

【0013】また、カンチレバーの長手方向に直交する
面での変位を変化させるためのすくなくとも1層の圧電
体層と、該圧電層に電圧を印加するための電極とを具備
するカンチレバー型圧電素子を用いる面合わせ方法であ
って、前記カンチレバーを同一基板上に少なくとも2本
以上設け、圧電素子のアドミッタンスの周波数特性か
ら、サンプル表面との距離を各々計測し、この複数の測
定距離が近似あるいは一致するように駆動させて前記基
板とサンプルとの面合わせを行うことを特徴とする。
A cantilever-type piezoelectric element having at least one piezoelectric layer for changing the displacement in a plane orthogonal to the longitudinal direction of the cantilever and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric layer. A surface alignment method used, wherein at least two or more of the cantilevers are provided on the same substrate, the distance from the sample surface is measured from the frequency characteristics of the admittance of the piezoelectric element, and the plurality of measured distances are approximate or coincident. It is characterized in that it is driven in such a manner that the surface of the substrate and the sample are aligned.

【0014】トンネル顕微鏡および記録再生装置におい
ては上記の各位置出し制御方法および面合わせ方法がそ
れぞれ用いられる。
In the tunnel microscope and the recording / reproducing apparatus, the above-mentioned positioning control method and surface alignment method are used, respectively.

【0015】[0015]

【作用】本発明は、カンチレバー型圧電素子を用い、固
有振動数あるいは、その付近の周波数で自由端を変位さ
せることが特徴である。固有振動数で振動させるとエネ
ルギーを最少にすることができるので、同じエネルギー
でも非常に大きく自由端を動かすことができる。しか
し、自由端がサンプル表面に接触すると、振動モードが
変化するのでカンチレバー型圧電素子のアドミッタンス
に変化が現れる。このアドミッタンスを計測しながら圧
電素子による位置だしを行う。つまりカンチレバー型圧
電素子を駆動させる目的と、距離の計測を行う目的の両
者を両立させることができるのが本発明の特徴である。
The present invention is characterized in that the cantilever type piezoelectric element is used and the free end is displaced at the natural frequency or a frequency in the vicinity thereof. Since the energy can be minimized by vibrating at the natural frequency, it is possible to move the free end very greatly even with the same energy. However, when the free end comes into contact with the sample surface, the vibration mode changes, so that the admittance of the cantilever piezoelectric element changes. Positioning by the piezoelectric element is performed while measuring this admittance. That is, it is a feature of the present invention that both the purpose of driving the cantilever type piezoelectric element and the purpose of measuring the distance can be compatible.

【0016】本発明においては、カンチレバー型圧電素
子の自由端とサンプル間の距離が光学的な手段や特別な
センサーを用いること無く、計測することができる。か
つ従来と同じカンチレバー型圧電素子を用いて、電気的
な計測を行うだけで、簡単に距離を計測でき、装置の簡
易化、IC化が容易に行える。
In the present invention, the distance between the free end of the cantilever type piezoelectric element and the sample can be measured without using optical means or a special sensor. In addition, the distance can be easily measured by simply performing electrical measurement using the same cantilever type piezoelectric element as in the related art, and the device can be easily made into an IC.

【0017】[0017]

【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
説明する。
Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings.

【0018】[実施例1]図1にはSi基板2状に形成
されたカンチレバー型圧電素子1とサンプル7が示され
ている。このカンチレバー型圧電体素子1は別の伸縮す
る圧電素子3に固定されている。
[Embodiment 1] FIG. 1 shows a cantilever type piezoelectric element 1 formed on a Si substrate 2 and a sample 7. This cantilever type piezoelectric element 1 is fixed to another piezoelectric element 3 which expands and contracts.

【0019】図2はこの圧電カンチレバー型圧電素子1
の構成を詳細に示す図である。
FIG. 2 shows the piezoelectric cantilever type piezoelectric element 1.
It is a figure which shows the structure of in detail.

【0020】これは、Si基板状に、通常のIC作製プ
ロセスとシリコンの異方性エッチングとにより作製した
ものである。Si基板2上に絶縁層8と下金電極9、Z
nO圧電体層10、中金電極11、ZnO圧電体層1
2、上金電極13の順に積層された構造で、バイモルフ
カンチレバー型圧電素子は構成される。このとき、上電
極13と下電極9とを短絡させ、中電極との間で電圧を
印加すると、カンチレバー型圧電素子1の自由端は逆圧
電効果により屈曲運動をする。
This is manufactured on a Si substrate by a normal IC manufacturing process and anisotropic etching of silicon. Insulating layer 8 and lower gold electrode 9, Z on Si substrate 2
nO piezoelectric layer 10, middle metal electrode 11, ZnO piezoelectric layer 1
2. The bimorph cantilever type piezoelectric element is constructed by a structure in which the upper gold electrode 13 is laminated in this order. At this time, when the upper electrode 13 and the lower electrode 9 are short-circuited and a voltage is applied between the middle electrode and the middle electrode, the free end of the cantilever-type piezoelectric element 1 bends due to the inverse piezoelectric effect.

【0021】このときの変位量、次式で表わされる。The displacement amount at this time is expressed by the following equation.

【0022】 ΔZ/ΔV=〔3L231Z(b2−a2)〕/{4(b−a)〔YM(a3−b 3 +c3)+YZ(C3−b3)〕}・・・・・・・・・・(1)式 このとき、Lはカンチレバーの自由端までの長さ、YM
は電極薄膜のヤング率、YZは圧電体薄膜のヤング率、
2×aは中電極の膜厚、b−aは、圧電体の膜厚 c−bは上、下電極の膜厚である。
ΔZ / ΔV = [3L2d31YZ(B2-A2)] / {4 (b−a) [YM (a3-B 3 + C3) + YZ (C3-B3)}} ・ ・ ・ ・ ・ (1) At this time, L is the length to the free end of the cantilever, YM
Is the Young's modulus of the electrode thin film, YZ is the Young's modulus of the piezoelectric thin film,
2 × a is the thickness of the middle electrode, ba is the thickness of the piezoelectric body, and cb is the thickness of the upper and lower electrodes.

【0023】また、このときの1次の固有振動数Frは
次式で表わされる。
Further, the first-order natural frequency Fr at this time is expressed by the following equation.

【0024】 Fr=0.162×(E/ρ)1/2×t/L2・・・・・・・・・・(2)式 このとき、 Eはカンチレバーのヤング率 ρはカンチレバーの密度 tはカンチレバーの膜厚である。Fr = 0.162 × (E / ρ) 1/2 × t / L 2 (2) where E is the Young's modulus of the cantilever and ρ is the density of the cantilever. t is the film thickness of the cantilever.

【0025】例えば、カンチレバーの長さを300μ
m、中電極の膜厚を0.2μm、圧電体の膜厚を0.3
μm、上下電極の膜厚を0.1μm、d31=4.0pC
/Nとし、さらに金のヤング率が7.8×1010N/m
2、カンチレバーの密度ρが1.11×104Kg/m3
であるならば、 ΔZ/ΔV=1.59μm/V Fr=6470Hzとなる。
For example, if the length of the cantilever is 300 μ
m, the thickness of the middle electrode is 0.2 μm, and the thickness of the piezoelectric body is 0.3
μm, the thickness of the upper and lower electrodes is 0.1 μm, d 31 = 4.0 pC
/ N, and Young's modulus of gold is 7.8 × 10 10 N / m
2 , the density ρ of the cantilever is 1.11 × 10 4 Kg / m 3
Then ΔZ / ΔV = 1.59 μm / V Fr = 6470 Hz.

【0026】次に、図1に示した交流電源5でバイモル
フ型のカンチレバー型圧電素子1を駆動させると屈曲運
動を始める。このとき、同時に電圧計6によって、圧電
体素子のアドミッタンスも測定できるようになってい
る。なお、この交流電流は、V0sinωtの信号がでるよ
うになっており、振幅と周波数を変えることができるよ
うに構成されている。また、圧電素子3は可変の直流電
源4でカンチレバー型圧電素子のZ方向の距離をコント
ロールできるように構成されている。
Next, when the bimorph type cantilever type piezoelectric element 1 is driven by the AC power source 5 shown in FIG. 1, the bending movement is started. At this time, the voltmeter 6 can simultaneously measure the admittance of the piezoelectric element. A signal of V0sinωt is output from this alternating current, and the amplitude and frequency can be changed. Further, the piezoelectric element 3 is configured so that the variable DC power source 4 can control the distance in the Z direction of the cantilever type piezoelectric element.

【0027】いま、カンチレバー型圧電素子がサンプル
7に対して充分に遠い距離にある場合(サンプルに接触
しない)には、その屈曲運動変位の周波数応答は図3
(a)に示すようになる。つまり、固有振動数より充分
低い周波数帯域(図中のA)では(1)式で計算される
変位量を持つ。また、このときの最大変位量(図中の
B)が得られる周波数は(2)式で計算される周波数と
一致する。同時に図1で示した回路によりカンチレバー
型圧電素子のアドミッタンスを計測すると図3(b)に
示すようになる。
Now, when the cantilever type piezoelectric element is at a distance far enough from the sample 7 (not in contact with the sample), the frequency response of the bending motion displacement is shown in FIG.
As shown in (a). That is, in the frequency band (A in the figure) that is sufficiently lower than the natural frequency, there is a displacement amount calculated by the equation (1). Further, the frequency at which the maximum displacement amount (B in the figure) at this time is obtained matches the frequency calculated by the equation (2). At the same time, when the admittance of the cantilever type piezoelectric element is measured by the circuit shown in FIG. 1, it becomes as shown in FIG.

【0028】これは駆動周波数とカンチレバーの固有振
動数が一致するとエネルギーが最少ですむので、アドミ
ッタンスの極大値点(図中のB)は前述した固有振動数
と一致するためである。
This is because the energy is minimized when the drive frequency and the natural frequency of the cantilever match, and therefore the maximum point (B in the figure) of the admittance matches the natural frequency described above.

【0029】図4はA点、B点においてのカンチレバー
型圧電素子1の先端変位量の印加電圧振幅依存性を示す
図であり、固有振動数より低いA点では、(1)式で計
算される変位量である。一方、固有振動数(B点)で駆
動すると、はるかに高い変位量が得られる。詳しくは、
だいたい機械的Q値倍の変位量が得られる。この機械的
Q値は形状、材料等で決まるもので、数十から数千まで
達する。
FIG. 4 is a diagram showing the applied voltage amplitude dependency of the tip displacement of the cantilever type piezoelectric element 1 at points A and B, which is calculated by equation (1) at point A lower than the natural frequency. It is the amount of displacement. On the other hand, when driven at the natural frequency (point B), a much higher displacement amount can be obtained. For more information,
It is possible to obtain a displacement amount that is approximately double the mechanical Q value. This mechanical Q value is determined by the shape, material, etc., and reaches several tens to several thousands.

【0030】次に、図1において直流電源4から圧電素
子3に電圧を印加してカンチレバー型圧電素子の先端を
サンプル7に接触させる。このときのアドミッタンスの
周波数依存性は図5に示すようになる。先述した固有振
動数B点で見られた極大値を見ることはできない。これ
は、図8に示すようにカンチレバー型圧電素子1の先端
が接触して片持ち梁状態から両持ち梁状態に近い状態に
変わり、これにより、固有振動数が変化したことによ
る。
Next, in FIG. 1, a voltage is applied from the DC power source 4 to the piezoelectric element 3 to bring the tip of the cantilever type piezoelectric element into contact with the sample 7. The frequency dependence of the admittance at this time is as shown in FIG. It is not possible to see the local maximum seen at the natural frequency B point described above. This is because, as shown in FIG. 8, the tip of the cantilever-type piezoelectric element 1 contacts and changes from the cantilever state to a state close to a cantilever state, which changes the natural frequency.

【0031】以上のことより、アドミッタンスの変化を
モニターすれば、カンチレバー型圧電素子1の先端がサ
ンプル7の表面に接触したかどうかを容易に判断するこ
とができる。
From the above, by monitoring the change in admittance, it can be easily determined whether or not the tip of the cantilever type piezoelectric element 1 contacts the surface of the sample 7.

【0032】次に、位置だし制御方法について説明す
る。
Next, the positioning control method will be described.

【0033】図1において、カンチレバー型圧電素子1
をサンプル7表面に接触しない程度に圧電素子3を調整
する。その後、交流電源5で固有振動数でカンチレバー
を屈曲運動させる。例えば、カンチレバーの長さを30
0μm、中電極の膜厚を0.2μm、圧電体の膜厚を
0.3μm、上下電極の膜厚を0.1μm、d31=4.
0pC/N、機械的Q値を70とすると、ΔZ/ΔVは
以下の値となる。
In FIG. 1, a cantilever type piezoelectric element 1
The piezoelectric element 3 is adjusted so as not to contact the surface of the sample 7. After that, the AC power source 5 causes the cantilever to bend at a natural frequency. For example, if the length of the cantilever is 30
0 μm, the thickness of the middle electrode is 0.2 μm, the thickness of the piezoelectric body is 0.3 μm, the thickness of the upper and lower electrodes is 0.1 μm, and d 31 = 4.
When 0 pC / N and the mechanical Q value are 70, ΔZ / ΔV is the following value.

【0034】ΔZ/ΔV=1.59μm/V (固有
振動数以下のとき) ΔZ/ΔV=111 μm/V (固有振動数のと
き) このときに、アドミッタンスの印加電圧依存性を計測す
ると、図6に示すものとなる。
ΔZ / ΔV = 1.59 μm / V (when the natural frequency is below) ΔZ / ΔV = 111 μm / V (when the natural frequency) At this time, when the dependence of the admittance on the applied voltage is measured, As shown in FIG.

【0035】カンチレバーの自由端がサンプル表面に接
触したときにアドミッタンスに変化が現れるので、その
ときの印加電圧と固有振動数での変位量が判ればカンチ
レバーの先端の静止点とサンプル表面との距離を容易に
計測できる。
Since the admittance changes when the free end of the cantilever comes into contact with the sample surface, the distance between the stationary point at the tip of the cantilever and the sample surface can be obtained by knowing the applied voltage and the amount of displacement at the natural frequency at that time. Can be easily measured.

【0036】図7は圧電素子を用いてカンチレバー型型
圧電素子1を徐々にサンプル7に近付けたときのアドミ
ッタンスの極大値を得る周波数をプロットしたものであ
る。これらが接触したときに大幅な周波数シフトが見ら
れる。この方法によっても、接触状態にあるか、非接触
状態にあるかを精度良く確認することができ、正確な位
置だしを行うことができる。
FIG. 7 is a plot of the frequency at which the maximum value of the admittance is obtained when the cantilever type piezoelectric element 1 is gradually brought closer to the sample 7 using the piezoelectric element. A significant frequency shift is seen when they come into contact. Also by this method, it is possible to accurately confirm whether it is in the contact state or the non-contact state, and it is possible to perform accurate positioning.

【0037】以上説明したように、カンチレバー型圧電
素子を固有振動数で屈曲運動をさせて位置だしを行う方
法と、外部からの駆動でサンプル表面まで接近させてカ
ンチレバー型圧電素子の固有振動数から位置だしを行う
方法のいずれにおいても精度良く位置だしを行うことが
できる。
As described above, the cantilever-type piezoelectric element is flexed at the natural frequency to perform positioning, and the external force is used to approach the sample surface to determine the natural frequency of the cantilever-type piezoelectric element. With any of the positioning methods, the positioning can be performed accurately.

【0038】[実施例2]本実施例において図1に示し
たカンチレバー型圧電素子を用いた面合わせ方法につい
て述べる。
[Embodiment 2] In the present embodiment, a surface alignment method using the cantilever type piezoelectric element shown in FIG. 1 will be described.

【0039】図9は、2個のカンチレバー型圧電素子1
をSi基板2上に形成したものである。サンプル7は複
数のZ方向駆動素子102によって保持され、Z軸並び
に傾きを変えることができる。これらは、支持体101
で固定されている。複数のカンチレバー型圧電素子1は
アクチュエータ駆動回路103およびアドミッタンス検
出回路104にそれぞれ接続され、Z方向位置制御回路
105で固有振動周波数でのアドミッタンス変化の計測
と固有振動数の計測ができるように構成されている。Z
方向駆動回路106は複数のZ方向駆動素子102を駆
動するためのもので、Z方向位置制御回路105からの
信号でフィードバック制御される。
FIG. 9 shows two cantilever type piezoelectric elements 1.
Are formed on the Si substrate 2. The sample 7 is held by a plurality of Z-direction driving elements 102, and the Z axis and the tilt can be changed. These are the support 101
It is fixed at. The plurality of cantilever piezoelectric elements 1 are respectively connected to the actuator drive circuit 103 and the admittance detection circuit 104, and are configured so that the Z direction position control circuit 105 can measure the admittance change at the natural vibration frequency and the natural frequency. ing. Z
The direction drive circuit 106 is for driving the plurality of Z direction drive elements 102, and is feedback-controlled by a signal from the Z direction position control circuit 105.

【0040】まず、2個のカンチレバー型圧電素子1を
アクチュエータ駆動回路103により固有振動数で屈曲
運動させる。このとき、実施例1と同様の方法でアドミ
ッタンス検出回路104によりサンプル7表面との距離
を計測する。これによりZ方向位置制御回路105にて
2個のカンチレバー型圧電素子1からサンプル7の距離
が一致あるいは近似するようにZ方向駆動回路106に
よりZ方向駆動素子102を動作させる。このような方
法においては、2個のカンチレバー型圧電素子1とサン
プル7表面を等距離とすることができる。
First, the two cantilever type piezoelectric elements 1 are bent by the actuator drive circuit 103 at the natural frequency. At this time, the distance from the surface of the sample 7 is measured by the admittance detection circuit 104 in the same manner as in the first embodiment. As a result, the Z-direction drive circuit 106 operates the Z-direction drive element 102 so that the Z-direction position control circuit 105 makes the distances between the two cantilevers-type piezoelectric elements 1 and the sample 7 match or approximate. In such a method, the two cantilever piezoelectric elements 1 and the surface of the sample 7 can be equidistant.

【0041】また、2個のアドミッタンスの周波数依存
性を計測し、その距離が一致あるいは近似させることも
できる。このように両者の計測方法においても良好な位
置合わせを行える。例えば、カンチレバー型圧電素子1
が複数個(3個以上)ある場合には3点以上のカンチレ
バー型圧電素子の計測結果が一致あるいは近似となるよ
うに調節することにより良好な面合わせを行うことがで
きる。
It is also possible to measure the frequency dependence of the two admittances and match or approximate the distances. In this way, good alignment can be achieved by both measuring methods. For example, a cantilever type piezoelectric element 1
When there are a plurality (3 or more) of the cantilever type piezoelectric elements, it is possible to perform good surface alignment by adjusting the measurement results of the cantilever type piezoelectric elements of 3 or more points so as to be the same or approximate.

【0042】[実施例3]本実施例では、図1に示した
カンチレバー型圧電素子を用いたSTM装置について述
べる。
[Embodiment 3] In this embodiment, an STM apparatus using the cantilever type piezoelectric element shown in FIG. 1 will be described.

【0043】図10は本実施例のSTM装置の構成を示
す図である。支持台101の上にZ方向駆動素子102
とXY走査機構110が設置され、観察物であるサンプ
ル7はXY方向に移動可能である。また、Si基板2上
に形成されたカンチレバー型圧電素子1はサンプルと対
向する位置に支持体101により固定され、そのカンチ
レバーの先端に探針108が作製されている。XY走査
機構110はXY駆動回路107によって駆動され、Z
方向駆動素子102はZ方向駆動回路106によって駆
動される。サンプル7と探針108との間には電圧印加
回路113によりバイアス電圧が印加され、これらの間
に流れるトンネル電流はトンネル電流検出回路109に
より検出される。また、Z方向に関しては、アクチュエ
ータ駆動回路103によりサンプル7と探針108との
間に流れるトンネル電流の値が一定となるようにフィー
ドバック制御が行われている。これらの全ての回路はマ
イクロコンピュータ112により統一して制御され、観
察結果の表示が行われる。上記のように構成されたST
M装置において、まず、カンチレバー型圧電素子1を実
施例2と同様な方法を用いてアドミッタンスを計測する
ことによりサンプル7の表面と探針108との距離を計
測する。このとき、本実施例で用いたカンチレバー型圧
電素子1の変位量が、 ΔZ/ΔV=1.59μm/V (固有振動数以下の
とき) ΔZ/ΔV=111 μm/V (固有振動数のと
き) であるために、高速なSTM動作を行う場合にはカンチ
レバー型圧電素子1のみの駆動でZ軸方向の動きを行う
ことが適している。この場合、カンチレバー型圧電素子
1を固有振動数以下の周波数で駆動するので、サンプル
7と探針108とが1μmいないになるように位置だし
を行う。その後、固有振動数以下の周波数でZ軸駆動を
行う。
FIG. 10 is a diagram showing the structure of the STM device of this embodiment. The Z-direction drive element 102 is mounted on the support base 101.
The XY scanning mechanism 110 is installed, and the sample 7, which is an observation object, can move in the XY directions. Further, the cantilever piezoelectric element 1 formed on the Si substrate 2 is fixed to a position facing the sample by a support 101, and a probe 108 is formed at the tip of the cantilever. The XY scanning mechanism 110 is driven by the XY driving circuit 107, and Z
The direction driving element 102 is driven by the Z direction driving circuit 106. A bias voltage is applied between the sample 7 and the probe 108 by the voltage application circuit 113, and the tunnel current flowing between them is detected by the tunnel current detection circuit 109. Further, in the Z direction, feedback control is performed by the actuator drive circuit 103 so that the value of the tunnel current flowing between the sample 7 and the probe 108 becomes constant. All of these circuits are uniformly controlled by the microcomputer 112, and the observation result is displayed. ST configured as above
In the M apparatus, first, the distance between the surface of the sample 7 and the probe 108 is measured by measuring the admittance of the cantilever piezoelectric element 1 using the same method as in the second embodiment. At this time, the displacement amount of the cantilever piezoelectric element 1 used in this example is ΔZ / ΔV = 1.59 μm / V (when the natural frequency is less than or equal to) ΔZ / ΔV = 111 μm / V (when the natural frequency is Therefore, when performing a high-speed STM operation, it is suitable to perform the movement in the Z-axis direction by driving only the cantilever type piezoelectric element 1. In this case, since the cantilever piezoelectric element 1 is driven at a frequency equal to or lower than the natural frequency, the sample 7 and the probe 108 are positioned so that they are not 1 μm apart. After that, Z-axis driving is performed at a frequency equal to or lower than the natural frequency.

【0044】上記のような駆動を行うと、容易にサンプ
ル7と探針108との距離を計測することができる。つ
まり、トンネル電流の検出による距離の計測(数nm以
下)とカンチレバー型圧電素子1のアドミッタンスによ
る距離の計測(数十μm以下)とを組み合せることによ
って、原子レベルから数十μmオーダーの凹凸に対する
情報を得ることができ、広範囲の距離についての計測を
高精度に行うことができる。
When the above driving is performed, the distance between the sample 7 and the probe 108 can be easily measured. That is, by combining the measurement of the distance by detecting the tunnel current (several nm or less) and the measurement of the distance by the admittance of the cantilever piezoelectric element 1 (several tens of μm or less), it is possible to cope with unevenness on the order of tens of μm from the atomic level Information can be obtained, and measurement can be performed with high accuracy over a wide range of distances.

【0045】また、STMにおいては、探針がサンプル
に接触しているにも関わらず、探針先端のコンタミネー
ションによりトンネル電流が流れにくくなる現象がよく
見られる。このような場合にはSTM像として誤った情
報が得ることが多くなるが、本発明によれば探針が接触
しているかどうかを容易に判断することができるので、
事前に探針の状態をモニターすることができ、より正確
STM像を得ることができるという利点を有する。
In the STM, a phenomenon in which a tunnel current is difficult to flow due to contamination of the tip of the probe is often seen even though the probe is in contact with the sample. In such a case, erroneous information is often obtained as the STM image, but according to the present invention, it is possible to easily determine whether or not the probe is in contact.
This has the advantage that the state of the probe can be monitored in advance and a more accurate STM image can be obtained.

【0046】[実施例4]本実施例においては、上述し
た位置だし方法および面合わせ方法を応用した記録再生
装置について述べる。
[Embodiment 4] In this embodiment, a recording / reproducing apparatus to which the above-described positioning method and surface alignment method are applied will be described.

【0047】図11は本実施例の記録再生装置の構成を
示す図である。本実施例は図10に示したSTMの構成
を用いたものであるため同じ構成については図10と同
じ番号を付している。
FIG. 11 is a diagram showing the structure of the recording / reproducing apparatus of this embodiment. Since this embodiment uses the STM configuration shown in FIG. 10, the same configurations are assigned the same numbers as in FIG.

【0048】支持台101の内部には、Z方向駆動素子
102と、該Z方向駆動素子102上に載置されたXY
走査機構110が設けられいる。XY走査機構110の
上には基板111が設けられ、基板111上には電極1
16と記録媒体117とが設置されている。XY走査機
構110は、XY方向駆動回路107によって駆動さ
れ、記録媒体117には記録用電圧印加回路114によ
り記録ビットの書き込み、あるいは、再生用慰安か電圧
回路115により記録ビットの読出し用のパルス電圧が
印加される。Z方向駆動回路106によってZ方向駆動
素子102が駆動してXY走査機構110上の記録媒体
117の傾きとZ軸の調整ができる。
Inside the support base 101, a Z-direction driving element 102 and an XY mounted on the Z-direction driving element 102.
A scanning mechanism 110 is provided. A substrate 111 is provided on the XY scanning mechanism 110, and the electrode 1 is provided on the substrate 111.
16 and a recording medium 117 are installed. The XY scanning mechanism 110 is driven by an XY direction drive circuit 107, and a recording voltage is applied to a recording medium 117 by a recording voltage application circuit 114, or a pulse voltage for reproducing comfort or reading a recording bit by a voltage circuit 115. Is applied. The Z-direction driving element 106 is driven by the Z-direction driving circuit 106, and the tilt of the recording medium 117 on the XY scanning mechanism 110 and the Z-axis can be adjusted.

【0049】Si基板2上には10mm角のものが用い
られ、し基板2上には複数のカンチレバー型圧電素子1
が記録媒体117と対向する向きに支持体101に取り
付けられている。各カンチレバー型圧電素子1の自由端
部には探針108が設けられている。各探針108に個
々に流れるトンネル電流は電流検出回路109によって
それぞれ検出される。各カンチレバーはアクチュエータ
駆動回路103によって駆動される。また、アドミッタ
ンスは駆動時にもアドミッタンス検出回路104によっ
て検出され、これらの情報はZ方向位置制御回路105
による探針108と記録媒体117の位置を制御するた
めに用いられる。上記の全ての回路はマイクロコンピュ
ータ112により制御される。
A Si substrate 2 of 10 mm square is used, and a plurality of cantilever type piezoelectric elements 1 are formed on the Si substrate 2.
Are attached to the support 101 in a direction facing the recording medium 117. A probe 108 is provided at the free end of each cantilever type piezoelectric element 1. The tunnel current that individually flows through each probe 108 is detected by the current detection circuit 109. Each cantilever is driven by the actuator drive circuit 103. Also, the admittance is detected by the admittance detection circuit 104 even during driving, and these pieces of information are stored in the Z direction position control circuit 105.
It is used to control the positions of the probe 108 and the recording medium 117 by the. All the above circuits are controlled by the microcomputer 112.

【0050】記録媒体117は、マイカ基板上にエピタ
キシャル成長させたAu薄膜(2500Å)上に有機記
録層を積層したものを用いた。有機記録層としては、ス
クアリリウム−ビス−6−オクチアズレンのLB膜(1
層)を使用した。なお、LB膜の形成方法については特
開昭63−161552号公報に開示されている方法を
用いた。
The recording medium 117 used was one in which an organic recording layer was laminated on an Au thin film (2500 Å) epitaxially grown on a mica substrate. As the organic recording layer, an LB film of squarylium-bis-6-octiazulene (1
Layers) were used. As the method for forming the LB film, the method disclosed in JP-A-63-161552 was used.

【0051】まず、個々のカンチレバー型圧電素子1が
記録媒体117に対して位置が近似あるいは等価となる
ように実施例2に示した方法を用いて面合わせを行う。
このとき、全てのカンチレバー型圧電素子1上の探針1
08と記録媒体107との距離がカンチレバーの固有振
動数以下の変位量(ストローク±1μm)の範囲に納ま
るように調整する必要がある。このように調整すること
により全てのカンチレバー型圧電素子1が自らの逆電圧
効果によって、記録媒体117の凹凸に追従してトンネ
ル電流を検出することができる。以上により、位置だし
および面合わせが行われる。
First, the surface of each cantilever type piezoelectric element 1 is aligned with the recording medium 117 by using the method shown in the second embodiment so that the positions thereof are approximate or equivalent.
At this time, the probes 1 on all the cantilever-type piezoelectric elements 1
It is necessary to adjust so that the distance between the recording medium 107 and the recording medium 107 is within a range of displacement (stroke ± 1 μm) equal to or less than the natural frequency of the cantilever. By adjusting in this way, all the cantilever type piezoelectric elements 1 can detect the tunnel current by following the irregularities of the recording medium 117 by the reverse voltage effect of itself. As described above, the alignment and the face matching are performed.

【0052】次に、本実施例における記録再生方法につ
いて述べる。
Next, the recording / reproducing method in this embodiment will be described.

【0053】まず、探針108の1本を陽極側、電極1
16を陰極側として5Vのパルス電圧を印加し、記録ビ
ットを生じさせた。次に、探針108と記録層との距離
をカンチレバー型圧電素子1によって保持したまま探針
108とAu薄膜との間に1Vの電圧を印加してトンネ
ル電流を測定したところ、0.5mA程度の電流が流
れ、記録ビットが形成されていることが確認できた。
First, one of the probes 108 is placed on the anode side, and the electrode 1
A pulse voltage of 5 V was applied with 16 as the cathode side to generate recorded bits. Next, a voltage of 1 V was applied between the probe 108 and the Au thin film while the distance between the probe 108 and the recording layer was held by the cantilever type piezoelectric element 1, and the tunnel current was measured to be about 0.5 mA. It was confirmed that the current flows and the recording bit is formed.

【0054】次に上記の記録再生装置を用いて記録を連
続的に行った。カンチレバー1本に対して1ビットあた
り5msecの速度で複数のカンチレバーを順次駆動し
て記録を行い、その記録内容を確認したところ複数のカ
ンチレバー型圧電素子1による個々の記録ビットにエラ
ーの発生は見られなかった。
Next, recording was continuously performed using the recording / reproducing apparatus described above. Recording was performed by sequentially driving a plurality of cantilevers at a speed of 5 msec per bit for one cantilever, and confirming the recorded contents, it was confirmed that an error occurred in each recorded bit by the plurality of cantilever piezoelectric elements 1. I couldn't do it.

【0055】[0055]

【発明の効果】本発明の位置だし制御方法および面合わ
せ方法においては、精度よく位置だしおよび面合わせを
行うことができ、これらの各方法を用いたトンネル顕微
鏡および記録再生装置においては、探針の制御を良好に
行うことができる効果がある。
According to the positioning control method and the surface alignment method of the present invention, the positioning and the surface alignment can be performed with high accuracy. In the tunnel microscope and the recording / reproducing apparatus using these methods, the probe is used. There is an effect that the control can be performed well.

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

【図1】本発明の位置制御方法を説明するための図であ
る。
FIG. 1 is a diagram for explaining a position control method of the present invention.

【図2】図1中のカンチレバー型圧電素子1の構成を示
す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a cantilever type piezoelectric element 1 in FIG.

【図3】(a)および(b)のそれぞれは、カンチレバ
ー型圧電素子1の自由な状態における変位−周波数変化
およびアドミッタンス−周波数の関係を示す図である。
3A and 3B are diagrams showing a relationship between displacement-frequency change and admittance-frequency in a free state of the cantilever-type piezoelectric element 1.

【図4】カンチレバー型圧電素子1の変位特性を示す図
である。
FIG. 4 is a diagram showing displacement characteristics of the cantilever type piezoelectric element 1.

【図5】カンチレバー型圧電素子1の接触時のアドミッ
タンスを示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing admittance when the cantilever type piezoelectric element 1 is in contact.

【図6】カンチレバー型圧電素子1の接触によるアドミ
ッタンスの変化を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a change in admittance due to contact of the cantilever type piezoelectric element 1.

【図7】カンチレバー型圧電素子1の接触による固有振
動数の変化を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a change in natural frequency due to contact of the cantilever piezoelectric element 1.

【図8】カンチレバー型圧電素子1の接触状態を示す摸
式図である。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a contact state of the cantilever type piezoelectric element 1.

【図9】本発明の対象である面合わせの状態を示す図で
ある。
FIG. 9 is a diagram showing a state of face-to-face matching which is an object of the present invention.

【図10】本発明によるトンネル顕微鏡の実施例の構成
を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a tunnel microscope according to the present invention.

【図11】本発明による記録再生装置の実施例の構成を
示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a recording / reproducing apparatus according to the present invention.

【図12】STMに用いられるプローブの構造を示す図
である。
FIG. 12 is a diagram showing a structure of a probe used in STM.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 カンチレバー型圧電素子 2 Si基板 3 圧電素子 4 直流電源 5 交流電源 6 電圧計 7 サンプル 101 支持体 102 Z方向駆動素子 103 アクチュエータ駆動回路 104 アドミッタンス検出回路 105 Z方向位置制御回路 106 Z方向駆動回路 107 XY方向駆動回路 108 探針 109 電流検出回路 110 XY走査機構 111 基板 112 マイクロコンピュータ 113 電圧印加回路 114 記録用電圧印加回路 115 再生用電圧印加回路 116 電極 117 記録媒体 1 Cantilever Type Piezoelectric Element 2 Si Substrate 3 Piezoelectric Element 4 DC Power Supply 5 AC Power Supply 6 Voltmeter 7 Sample 101 Support 102 Z Direction Drive Element 103 Actuator Drive Circuit 104 Admittance Detection Circuit 105 Z Direction Position Control Circuit 106 Z Direction Drive Circuit 107 XY direction drive circuit 108 Probe 109 Current detection circuit 110 XY scanning mechanism 111 Substrate 112 Microcomputer 113 Voltage application circuit 114 Recording voltage application circuit 115 Reproduction voltage application circuit 116 Electrode 117 Recording medium

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒田 亮 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 (72)発明者 鈴木 義勇 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 (72)発明者 中山 優 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 front page (72) Inventor Ryo Kuroda 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (72) Inventor Yoshiyuki Suzuki 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Incorporated (72) Inventor Yu Nakayama 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 カンチレバーの長手方向に直交する面で
の変位を変化させるためのすくなくとも1層の圧電体層
と、該圧電層に電圧を印加するための電極とを具備する
カンチレバー型圧電素子を用いた位置だし制御方法であ
って、 カンチレバーをその固有振動数で変位させ、圧電素子の
アドミッタンス変化により、サンプル表面との距離を計
測することを特徴とする位置だし制御方法。
1. A cantilever-type piezoelectric element comprising at least one piezoelectric layer for changing displacement in a plane orthogonal to the longitudinal direction of the cantilever, and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric layer. The positioning control method used is characterized by displacing the cantilever at its natural frequency and measuring the distance from the sample surface by changing the admittance of the piezoelectric element.
【請求項2】 請求項1記載の位置だし制御方法におい
て、 圧電素子のアドミッタンスの周波数特性から、サンプル
表面との距離を計測することを特徴とする位置だし制御
方法。
2. The positioning control method according to claim 1, wherein the distance from the sample surface is measured from the frequency characteristic of the admittance of the piezoelectric element.
【請求項3】 カンチレバーの長手方向に直交する面で
の変位を変化させるためのすくなくとも1層の圧電体層
と、該圧電層に電圧を印加するための電極とを具備する
カンチレバー型圧電素子を用いる面合わせ方法であっ
て、 前記カンチレバーを同一基板上に少なくとも2本以上設
け、 各カンチレバーをその固有振動数で変位させ、前記固有
振動数での圧電素子のアドミッタンス変化によりサンプ
ル表面との距離を各々計測し、この複数の測定距離が近
似あるいは一致するように駆動させて前記基板とサンプ
ルとの面合わせを行うことを特徴とする面合わせ方法。
3. A cantilever-type piezoelectric element comprising at least one piezoelectric layer for changing a displacement in a plane orthogonal to the longitudinal direction of the cantilever, and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric layer. A surface alignment method used, wherein at least two or more of the cantilevers are provided on the same substrate, each cantilever is displaced at its natural frequency, and the distance from the sample surface is changed by the admittance change of the piezoelectric element at the natural frequency. A face-to-face aligning method, characterized in that each substrate is measured and driven so that the plurality of measurement distances are approximated or coincident with each other, and the substrate and the sample are aligned.
【請求項4】 カンチレバーの長手方向に直交する面で
の変位を変化させるためのすくなくとも1層の圧電体層
と、該圧電体層に電圧を印加するための電極とを具備す
るカンチレバー型圧電素子を用いる面合わせ方法であっ
て、 前記カンチレバーを同一基板上に少なくとも2本以上設
け、 圧電素子のアドミッタンスの周波数特性から、サンプル
表面との距離を各々計測し、この複数の測定距離が近似
あるいは一致するように駆動させて前記基板とサンプル
との面合わせを行うことを特徴とする面合わせ方法。
4. A cantilever-type piezoelectric element comprising at least one piezoelectric layer for changing a displacement in a plane orthogonal to the longitudinal direction of the cantilever, and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric layer. A surface alignment method using, wherein at least two or more of the cantilevers are provided on the same substrate, the distance from the sample surface is measured based on the frequency characteristic of the admittance of the piezoelectric element, and the plurality of measured distances are approximate or coincident. The surface alignment method is characterized in that the substrate and the sample are surface-aligned by being driven as described above.
【請求項5】 カンチレバーの長手方向に直交する面で
の変位を変化させるためのすくなくとも1層の圧電体層
と該圧電体層に電圧を印加するための電極とを備えるカ
ンチレバー型圧電素子と、 前記カンチレバー型圧電素子の自由端に取り付けられた
探針とを有し、 前記カンチレバー型圧電体素子と対向位置にサンプルを
配置し、探針を介してサンプル表面の凹凸の情報を出力
するするトンネル電流顕微鏡において、 請求項1または請求項2に記載の方法を用いてカンチレ
バー型圧電素子とサンプル表面との距離を計測し、該計
測結果に基づいてサンプル表面をカンチレバー型圧電体
素子で走査することを特徴とするトンネル顕微鏡。
5. A cantilever-type piezoelectric element comprising at least one piezoelectric layer for changing a displacement in a plane orthogonal to the longitudinal direction of the cantilever, and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric layer. A tunnel having a probe attached to the free end of the cantilever-type piezoelectric element, the sample being arranged at a position facing the cantilever-type piezoelectric element, and outputting information on the unevenness of the sample surface through the probe. In a current microscope, the distance between the cantilever type piezoelectric element and the sample surface is measured using the method according to claim 1 or 2, and the sample surface is scanned by the cantilever type piezoelectric element based on the measurement result. Tunnel microscope characterized by.
【請求項6】 カンチレバーの長手方向に直交する面で
の変位を変化させるためのすくなくとも1層の圧電体層
と該圧電体層に電圧を印加するための電極とを備えるカ
ンチレバー型圧電素子と、 前記カンチレバーが少なくとも複数設けられた基板と、 前記カンチレバー型圧電素子の自由端にそれぞれ取り付
けられた探針とを有し、 前記カンチレバー型圧電体素子と対向位置にサンプルを
配置し、探針を介してサンプル表面の凹凸の情報を出力
するするトンネル電流顕微鏡において、 請求項3または請求項4に記載の方法を用いてカンチレ
バー型圧電素子とサンプルとの面合わせを行ってた後に
サンプル表面をカンチレバー型圧電体素子で走査するこ
とを特徴とするトンネル顕微鏡。
6. A cantilever-type piezoelectric element comprising at least one piezoelectric layer for changing displacement in a plane orthogonal to the longitudinal direction of the cantilever, and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric layer. A substrate provided with at least a plurality of the cantilevers, and a probe attached to each free end of the cantilever-type piezoelectric element, a sample is arranged at a position facing the cantilever-type piezoelectric element, and the probe is interposed. In a tunnel current microscope that outputs information on unevenness of a sample surface by using a method according to claim 3 or 4, the cantilever-type piezoelectric element and the sample are surface-aligned, and then the sample surface is cantilever-type. A tunnel microscope characterized by scanning with a piezoelectric element.
【請求項7】 カンチレバーの長手方向に直交する面で
の変位を変化させるためのすくなくとも1層の圧電体層
と該圧電層に電圧を印加するための電極とを備えるカン
チレバー型圧電素子と、 前記カンチレバー型圧電素子の自由端に取り付けられた
探針とを有し、 前記カンチレバー型圧電体素子と対向位置に記録媒体を
配置し、探針を介して記録媒体表面に記録または再生を
行う記録再生装置において、 請求項1または請求項2に記載の方法を用いてカンチレ
バー型圧電素子と記録媒体表面との距離を計測し、該計
測結果に基づいて記録媒体表面をカンチレバー型圧電体
素子で走査することを特徴とする記録再生装置。
7. A cantilever-type piezoelectric element comprising at least one piezoelectric layer for changing displacement in a plane orthogonal to the longitudinal direction of the cantilever, and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric layer, A recording medium having a probe attached to the free end of a cantilever-type piezoelectric element, a recording medium disposed at a position facing the cantilever-type piezoelectric element, and recording or reproducing on or from the recording medium surface via the probe. In the apparatus, the distance between the cantilever type piezoelectric element and the recording medium surface is measured by using the method according to claim 1 or 2, and the recording medium surface is scanned by the cantilever type piezoelectric element based on the measurement result. A recording / reproducing apparatus characterized by the above.
【請求項8】 カンチレバーの長手方向に直交する面で
の変位を変化させるためのすくなくとも1層の圧電体層
と該圧電層に電圧を印加するための電極とを備えるカン
チレバー型圧電素子と、 前記カンチレバーが少なくとも複数設けられた基板と、 前記カンチレバー型圧電素子の自由端にそれぞれ取り付
けられた探針とを有し、 前記カンチレバー型圧電体素子と対向位置に記録媒体を
配置し、探針を介して記録媒体表面に記録または再生を
行う記録再生装置において、 請求項3または請求項4に記載の方法を用いてカンチレ
バー型圧電素子と記録媒体との面合わせを行ってた後に
記録媒体表面をカンチレバー型圧電体素子で走査するこ
とを特徴とする記録再生装置。
8. A cantilever-type piezoelectric element comprising at least one piezoelectric layer for changing displacement in a plane orthogonal to the longitudinal direction of the cantilever, and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric layer, A substrate provided with at least a plurality of cantilevers, and a probe attached to each free end of the cantilever-type piezoelectric element, a recording medium is disposed at a position facing the cantilever-type piezoelectric element, In a recording / reproducing apparatus for performing recording or reproduction on the surface of a recording medium by using the method according to claim 3 or 4, the surface of the recording medium is cantilevered after the cantilever-type piezoelectric element and the recording medium are face-aligned with each other. Type recording / reproducing apparatus characterized by scanning with a piezoelectric element.
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