JPH06273160A - カンチレバー型アクチュエータ、及びこれを用いた走査型トンネル顕微鏡並びに情報処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 走査型トンネル顕微鏡や情報処理装置に用い
られ、反りを低減すると共に機械的強度を増し耐久性を
向上させたカンチレバー型アクチュエータを提供する。 【構成】 薄膜圧電体と薄膜電極を積層して構成される
カンチレバー２の基板１との固定部分において、基板１
をカンチレバー２の長さ方向に三角形状に後退させたカ
ンチレバー型アクチュエータ。

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（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
した情報の記憶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．Ｂｉ
ｎｎｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｈｅｌｖｅｔｉｃａ Ｐｈ
ｙｓｉｃａ 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、これらの記録再生装置に用いられて
いたプローブの形成手法としては、半導体製造プロセス
の技術を使い一つの基板上に微細な構造を作る加工技術
［Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ“Ｓｉｌｉｃｏｎ ａｓ
ａ ＭｅｃｈａｎｉｃｈａｌＭａｔｅｒｉａｌ”，Ｐｒ
ｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ，７０
（５），４２０−４５７（１９８２）］が知られてい
た。このような手法により構成したＳＴＭが、特開昭６
１−２０６１４８号公報に提案されている。

【０００５】これは、単結晶シリコンを基板として、微
細加工によりＸＹ方向に微動できる平行バネを形成し、
さらにその可動部にプローブを形成したカンチレバー部
を設け、カンチレバー部と底面部に電界を与えて静電力
により基板平面と直角な方向（Ｚ方向とする）に変位す
るように構成されている。

【０００６】また、カンチレバー部に酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）等の圧電性薄膜を用い、平行平板型電極により電圧
を印加し、逆圧電効果による変位を利用するものも知ら
れている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
カンチレバー型アクチュエータにおいては、図１０
（ａ）に示すように基板１へのカンチレバー２の固定部
において、その境界線が単一の直線状となっている。こ
のため、カンチレバー２の基板１への固定部においては
カンチレバー形成時の応力や歪が発生しやすく、図１０
（ｂ）に示すようにカンチレバー２の固定部付近から基
板面に対して反ってしまう場合があった。この様な反り
は、ＳＴＭの位置決め精度を低下させると共に、マルチ
アクチュエータとした場合に複数のカンチレバー間の反
り量のばらつきを生じる原因となっていた。

【０００８】また、カンチレバー２の固定部における境
界が単一の直線状となっているため、カンチレバー部を
変位させた場合、カンチレバー固定部の根本部分に応力
が集中するため、機械的に疲労し易く長寿命化にとって
不利であった。

【０００９】そこで本発明は、カンチレバーの固定部に
おける応力に起因する反りを低減し、かつカンチレバー
の基板への固定部の強度を高めることにより、変位精度
と耐久性を高めたカンチレバー型アクチュエータと、そ
れを用いた走査型トンネル顕微鏡、情報処理装置を提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び作用】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。

【００１１】第１に、基板上にカンチレバー状に薄膜を
形成して構成されるカンチレバー型アクチュエータであ
って、カンチレバーの固定部において、カンチレバーの
長さ方向に対して基板を突出あるいは後退させたことを
特徴とするカンチレバー型アクチュエータとした。

【００１２】第２に、カンチレバーの固定部において、
基板を三角形状に後退させたことを特徴とする前記第１
のカンチレバー型アクチュエータとした。

【００１３】第３に、カンチレバーが、薄膜圧電体と薄
膜電極を積層して構成されていることを特徴とする前記
第１又は第２のカンチレバー型アクチュエータとした。

【００１４】第４に、カンチレバーの自由端部に尖鋭な
探針を設けたことを特徴とする前記第１〜第３いずれか
のカンチレバー型アクチュエータとした。

【００１５】第５に、前記第１〜第４いずれかのカンチ
レバー型アクチュエータが、同一のシリコン基板上に複
数配置されていることを特徴とするカンチレバー型アク
チュエータとした。

【００１６】第６に、前記第１〜第５いずれかのカンチ
レバー型アクチュエータを具備することを特徴とする走
査型トンネル顕微鏡とした。

【００１７】第７に、トンネル電流を用いて記録媒体に
情報の記録再生を行う情報処理装置において、前記第１
〜第５いずれかのカンチレバー型アクチュエータを具備
することを特徴とする情報処理装置とした。

【００１８】以下本発明を図面を用いながら詳細に説明
する。

【００１９】図１は本発明のカンチレバー型アクチュエ
ータの特徴を最もよく表す構成図であり、図１（ａ）は
平面図、図１（ｂ）は側面図である。

【００２０】本図において１は基板であり、２はカンチ
レバーである。ここでカンチレバー２が固定されている
部分において、基板１は図１（ａ）に示されるように三
角形状にくぼんでおり、カンチレバー２の基板１への固
定部分における境界線が単一の直線状とならない構造と
なっている。

【００２１】このような構成とすることで、カンチレバ
ー形成時に生ずる内部応力や駆動時に生ずる応力を、基
板１との固定部においてカンチレバー２の長さ方向で分
散させることができる。

【００２２】このため、カンチレバーの固定部付近での
反りの発生を低減できると共に、固定部におけるカンチ
レバーの接合強度が高まり、機械的強度が増し耐久性が
向上する。

【００２３】更に、固定された部分と自由に運動する部
分の境界線を単一の直線状としないことは、機械的共振
点におけるＱ値を低減させる効果もあり、高速駆動時の
制御性を高めることにもなる。

【００２４】このようにカンチレバー２の基板１への固
定部分における境界を非直線化する構成としては、図１
に示すものの他に図２（ａ）〜（ｃ）に示すものなども
可能である。

【００２５】図２（ａ）はカンチレバー２の固定部にお
いて基板１を三角形状に突起させた構造のものである。
また、図２（ｂ）はカンチレバー２の固定部において基
板１を円弧状に凹ませたものであり、図２（ｃ）は固定
部を円弧状に突起させたものである。

【００２６】以上の構造は全てカンチレバー２の固定部
において基板１との境界が単一の直線状とはならず、図
１に示した構造と同様に境界線において発生する歪を分
散させることができ、カンチレバー２の根元部分におい
て基板との接合強度を高める等の効果がある。

【００２７】次に、本発明に係るカンチレバーを薄膜圧
電体と薄膜電極とを積層して構成した場合を具体的に説
明する。

【００２８】図３は上記構成を有する本発明の圧電極バ
イモルフ式のカンチレバー型アクチューエータの構成図
であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）
中の破線Ａ−Ａ’における断面図である。

【００２９】図３において１は基板であり、２はカンチ
レバー、３は下電極、４は下部圧電体、５は中電極、６
は上部圧電体、７は上電極である。圧電体４，５は圧電
分極軸が８で示す矢印の方向となるように形成されてお
り、電極３，５，７へ所定の電圧を印加することによ
り、圧電体４及び６を伸長もしくは収縮させ、カンチレ
バー２に屈曲変位を発生させることができる。このとき
発生する屈曲変位は、基板１との固定部における境界線
から離れた位置で生ずるため、カンチレバー２の電圧当
りの変位量は根元の構造に影響されることはない。

【００３０】通常、圧電体（例えばＺｎＯ、ＰＺＴ等）
の圧電性を高めると内部応力が増大するため、カンチレ
バーの反りが増大し、そのばらつきも大きくなるが、先
に説明したように、カンチレバー２が固定されている部
分において基板１を図３に示されるように三角に凹ませ
ることにより、基板面に対する反りを低減できる。

【００３１】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。

【００３２】実施例１ 本実施例では図３に示したような本発明のカンチレバー
型アクチュエータを作製したものである。以下に図４の
製造工程図を参照しながらその製造方法を説明する。

【００３３】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１５００
Å成膜し、保護膜９を形成する。次に、密着性確保のた
めＣｒを５〜１０Å真空蒸着したのちＡｕを１０００Å
蒸着する。このようにして形成した金属薄膜上へ感光性
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、下電極３を形成
する（図４（ａ）参照）。

【００３４】次に、その上にスパッタ蒸着法によりＺｎ
Ｏを３０００Å形成し下部圧電体４を形成する。この
時、スパッタ蒸着の条件を適切に調整することで、圧電
分極軸である結晶Ｃ軸を下電極３の面に対して垂直方向
に配向させることが可能である（図４（ｂ）参照）。

【００３５】次に、下部圧電体４の上に再び真空蒸着に
よりＡｕを１０００Å成膜する。その後、感光性レジス
トを塗布し、フォトリソグラフを行い不要部分をエッチ
ングにより除去し、所定の形状の中電極５を形成する
（図４（ｃ）参照）。

【００３６】次に、図４（ｂ）の工程と同様に、スパッ
タ蒸着法によりＺｎＯを３０００Å形成し、上部圧電体
６を形成する（図４（ｄ）参照）。

【００３７】次に、上部圧電体６の上に再び真空蒸着に
よりＡｕを１０００Å成膜し、前記図４（ｃ）と同様に
不要部分をエッチングにより除去する。その後、再び感
光性レジストを塗布しパターンニングを行い圧電体４及
び６の不要部を除去する（図４（ｅ）参照）。

【００３８】次に、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、Ｓｉ₃Ｎ₄膜９の位置までＳｉを
除去する。次に、反応性イオンエッチングによりＳｉ₃
Ｎ₄膜９を取り除き、カンチレバー部２を形成する（図
４（ｆ）参照）。

【００３９】ここで、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、Ｃｒに対
しては（ＮＨ₄）₂Ｃｅ（ＮＯ₃）₆；ＨＣｌＯ水溶液、Ｚ
ｎＯに対しては酢酸水溶液を用いた。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。

【００４０】尚、電極材料はＡｕに限定されるものでは
なく、適当なエッチング方法と組み合わせることにより
Ｐｔ ，Ａｌ等、他の物質を用いることができる。また、
圧電体材料もＺｎＯに限定されるものではなく、Ａｌ
Ｎ，ＰＺＴ，Ｔａ₂Ｏ₅等、他の薄膜圧電体を用いること
も可能である。

【００４１】以下に本実施例で作製したカンチレバー型
アクチュエータの各部の寸法及び特性の一例を示す。

【００４２】カンチレバー長： ５００μｍ カンチレバー幅： ５０μｍ 根本部分での基板面に対する反り角： １° 尚、図１０に示したように基板１へのカンチレバー２の
固定部における境界線が単一の直線状に形成した以外は
本実施例と同様にして同一寸法に形成した従来型のもの
においては、上記根本部分での基板面に対する反り角は
約５°であった。

【００４３】また、カンチレバーを屈曲変位させ根元部
分に亀裂等の欠陥の発生する割合を調べたところ、本実
施例のアクチュエータは従来型のものに比べて１／２〜
１／３程度とすることができた。

【００４４】このように、カンチレバーの固定部におい
て基板を三角形状に凹ませることにより、基板との接合
に起因するカンチレバー根本部分での反りを低減できる
と共に、機械的強度が大きくなり耐久性が向上した。

【００４５】実施例２ 図５に本実施例におけるカンチレバー型アクチュエータ
の構成図を示す図５（ａ）はその平面図であり、図５
（ｂ）は図５（ａ）中の破線Ａ−Ａ’面における断面図
である。

【００４６】本実施例では、実施例１の構成に加えて、
カンチレバー２の先端部に導電性の探針１０を形成し、
探針１０と電気的に接続した引出し電極１１を設けた。
更に、各層の電極をカンチレバーの長軸を中心に左右に
２分割し、それぞれ下電極３Ｌ，３Ｒ、中電極５Ｌ，５
Ｒ、上電極７Ｌ，７Ｒという構成とした。

【００４７】このような構成とすることにより、本実施
例のカンチレバー型アクチュエータは、走査型トンネル
電子顕微鏡（ＳＴＭ）のプローブとして用いることがで
きる。即ち、下電極３Ｌ，３Ｒ、中電極５Ｌ，５Ｒ、上
電極７Ｌ，７Ｒに駆動電圧を印加し、カンチレバー２を
屈曲変位させ、探針１０を観察しようとする媒体へ接近
させる。媒体が導電性を持つ場合、探針１０と媒体表面
の距離が数ｎｍ程度まで近づくと、探針１０と媒体表面
の間にトンネル電流が流れる。この電流を引出し電極１
１を通じて外部へ取出し増幅を行い、カンチレバー２の
駆動電圧にフィードバックをかけ、その変化をモニター
することにより極微小表面を観察することができる。

【００４８】カンチレバー２の変位方向は各電極を左右
に分割したことにより、基板面に対して垂直な屈曲変位
に加え、水平方向へ微小変位させることも可能である。

【００４９】かかる探針１０を有するアクチュエータの
製造は実施例１で示した作製方法において、フォトリソ
グラフを行う際のフォトマスクのパターンを変更するだ
けで良い。

【００５０】また、探針１０は上電極７Ｌ，７Ｒと引出
し電極１１の形成の後、リフトオフ法により作製した。
即ち、フォトレジストを厚く塗布し、探針１０を形成す
る位置のみレジストを除去した後、斜め方向よりの蒸着
と基板回転を組み合わせることにより形成した。この方
法はアスペクト比の高い微小構造物を形成する方法とし
て知られている。

【００５１】本実施例で作製したカンチレバー型アクチ
ュエータの各部の寸法及び特性は実施例１のものとほぼ
同一である。

【００５２】本実施例のカンチレバー型アクチュエータ
をＳＴＭ用のプローブとして使用した場合、その走査や
位置決めの精度を向上でき、耐久性も大幅に向上でき
る。

【００５３】実施例３ 本実施例では、図５に示したようなカンチレバー型アク
チュエータを、シフトレジスターやアンプ等の半導体素
子と共に同一のシリコン基板上へ複数個作製し、集積化
アクチュエータを作製したものである。

【００５４】図６に本実施例の集積化アクチュエータの
概略的な平面図を示す。

【００５５】図６において、１はＳｉ基板、２はカンチ
レバー、１５はエッチング溝、１６は半導体素子、１７
は配線、１８は取出し電極、２０は集積化アクチュエー
タである。

【００５６】かかる集積化アクチュエータは、実施例
１，２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ことで作製できる。このように同
一の基板上へ多数のカンチレバー型アクチュエータを集
積化した場合においても、本発明を用いることにより、
各カンチレバー２の根元部分の強度が高められるため全
体として耐久性が向上する。また、各カンチレバーの根
元部の反り角を小さくでき、各カンチレバー間の特性の
ばらつきを小さくすることができるため、より高精度の
走査，位置決めを行うことができる。

【００５７】図７に本実施例における個々のカンチレバ
ー２の配置方法を示す。シリコン基板１に形成したエッ
チング溝１５へのカンチレバー２の配置方法としては、
図７（ａ）に示すように１つのエッチング溝に１個のカ
ンチレバー２を設ける他に、図７（ｂ）に示すように複
数個配置しても良い。

【００５８】このような構成とすることにより、本発明
を用いたカンチレバー型アクチュエータの集積度を上げ
ることができる。尚、図６の集積化アクチュエータは図
７（ａ）の配置方法にした場合を示している。

【００５９】実施例４ 本実施例では、実施例３の集積化アクチュエータをＳＴ
Ｍ装置に組込み試料の表面観察を行ったものである。

【００６０】図８は本実施例のＳＴＭ装置を模式的に示
した図である。

【００６１】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には観察対象となる試料２２が固定されて
いる。

【００６２】この装置にて、試料２２にＨＯＰＧ（グラ
ファイト）板を用いて表面観察を行なった。スキャンエ
リアを０．０５μｍ×０．０５μｍとして観察したとこ
ろ、高速駆動時においても良好な原子像を得ることがで
き、ＳＴＭの原理による動作が確認され表面観察動作が
確認された。

【００６３】実施例５ 本実施例では、実施例３の集積化アクチュエータを情報
処理装置に組込み、記録再生の実験を行ったものであ
る。

【００６４】図９は本実施例の情報処理装置の模式図で
ある。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
体基板であり、これらにより構成される記録媒体は電圧
印加により抵抗値を変化させることができる。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２０２の支持体、
２０４は集積化アクチュエータ２０２をＺ方向へ粗動す
るためのリニアアクチュエータ、２０５，２０６はＸＹ
ステージ２０１をそれぞれＸ，Ｙ方向へ駆動するための
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２０２をＺ軸方向に移動させるため
のサーボ回路である、３０３はリニアアクチュエータ２
０４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はリニアアクチュエータ２０４の駆動回路で
あり、３０６はＸＹステージ２０１の位置制御を行う駆
動回路である。３０７はこれらを制御するコンピュータ
である。

【００６５】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でき、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
度で記録再生を行うことができる。

【００６６】本発明のカンチレバー型アクチュエータを
プローブとして用いた本実施例の情報処理装置は、個々
のプローブのＳ／Ｎ比，トラッキング性が向上し、高速
度の記録再生においても書込み，読出し時のエラー発生
率を大幅に低減できた。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればカ
ンチレバーの根元付近に発生する基板面に対する反りを
低減することができ、これにより、位置決め精度が向上
し、多数のカンチレバー間の反り量のばらつきを低減で
きた。

【００６８】また、基板との境界が単一の直線状の場合
に比べ、根元部分の機械的強度を高めることができ、ア
クチュエータの寿命を長くすることができると共に、信
頼性が向上した。

【００６９】更には、機械的共振点におけるＱ値を低減
させることができ、高速駆動時の制御性を高めることが
できた。

【００７０】以上により、ＳＴＭの解像度、高密度の記
録再生等の諸特性を大きく向上させることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の特徴を最も良く表すカンチレバー型ア
クチュエータの構成図である。

【図２】本発明のカンチレバー型アクチュエータの他の
例を示す構成図である。

【図３】実施例１に係るカンチレバー型アクチュエータ
の構成図である。

【図４】実施例１に係るカンチレバー型アクチュエータ
の製造工程図である。

【図５】実施例２に係るカンチレバー型アクチュエータ
の構成図である。

【図６】実施例３に係る集積化アクチュエータの構成図
である。

【図７】本発明の集積化アクチュエータにおける個々の
カンチレバーの配置例である。

【図８】本発明の集積化アクチュエータを用いた走査型
トンネル顕微鏡の部分断面図である。

【図９】本発明の集積化アクチュエータを用いた情報処
理装置のブロック構成図である。

【図１０】従来例のカンチレバー型アクチュエータを示
す構成図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ カンチレバー ３，３Ｌ，３Ｒ 下電極 ４ 下部圧電体 ５，５Ｌ，５Ｒ 中電極 ６ 上部圧電体 ７，７Ｌ，７Ｒ 上電極 ８ 圧電分極軸方向 ９ 保護膜 １０ 探針 １１ 引出し電極 １５ エッチング溝 １６ 半導体素子 １７ 配線 １８ 取出し電極 ２０ 集積化アクチュエータ ２１ 可動ステージ ２２ 試料 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 ステージ駆動回路 ３０７ 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】 基板上にカンチレバー状に薄膜を形成し
   て構成されるカンチレバー型アクチュエータであって、
   カンチレバーの固定部において、カンチレバーの長さ方
   向に対して基板を突出あるいは後退させたことを特徴と
   するカンチレバー型アクチュエータ。
2. 【請求項２】 カンチレバーの固定部において、基板を
   三角形状に後退させたことを特徴とする請求項１に記載
   のカンチレバー型アクチュエータ。
3. 【請求項３】 カンチレバーが、薄膜圧電体と薄膜電極
   を積層して構成されていることを特徴とする請求項１又
   は２に記載のカンチレバー型アクチュエータ。
4. 【請求項４】 カンチレバーの自由端部に尖鋭な探針を
   設けたことを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の
   カンチレバー型アクチュエータ。
5. 【請求項５】 請求項１〜４いずれかに記載のカンチレ
   バー型アクチュエータが、同一のシリコン基板上に複数
   配置されていることを特徴とするカンチレバー型アクチ
   ュエータ。
6. 【請求項６】 請求項１〜５いずれかに記載のカンチレ
   バー型アクチュエータを具備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
   記録再生を行う情報処理装置において、請求項１〜５い
   ずれかに記載のカンチレバー型アクチュエータを具備す
   ることを特徴とする情報処理装置。