JPH06302874A

JPH06302874A - 微小変位素子及びその製造方法、及びそれを用いたトンネル電流検出装置、情報処理装置

Info

Publication number: JPH06302874A
Application number: JP5107186A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Okamura; 好真岡村; Osamu Takamatsu; 修高松; Yoshihiro Yanagisawa; 芳浩柳沢; Yasuhiro Shimada; 康弘島田; Keisuke Yamamoto; 敬介山本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-04-12
Filing date: 1993-04-12
Publication date: 1994-10-28

Abstract

(57)【要約】【目的】トンネル電流検出装置や走査型トンネル顕微
鏡に用いられ、大気中における変位特性の経時変化を防
止した微小変位素子を提供する。【構成】圧電体膜４，６と電極膜３，５，７とを積層
したカンチレバーの表面に、保護膜としてフロロカーボ
ン膜１２を設けた構成を特徴とする微小変位素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネル電流検出装置
や走査型トンネル顕微鏡等に用いられる微小変位素子、
及びその製造方法並びにそれを応用した大容量、高密度
の情報処理装置に関するものである。

【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、半導体加速度センサー、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。

【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、半導体プロセスをべースに
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。特に微小変位素子としては、
圧電体薄膜を利用したカンチレバー状（片持ち梁）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。

【０００４】例えばスタンフォード大学のクエート等に
より提案された微小変位素子を用いたＳＴＭプローブ
（ＩＥＥＥ，Ｍｉｃｒｏ，Ｅｌｅｃｔｒｏ，Ｍｅｃｈａ
ｎｉｃａｌ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ｐ１８８−１９９，Ｆｅ
ｂ．１９９０）がある。これは図６に示すようにＳｉウ
エハ１の裏面を一部除去しシリコンメンブレンを形成
し、表面にＡｌ３，５，７とＺｎＯ４，６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その後、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９（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マイクロティップを取り付
け、良好なＳＴＭ像を得ている。

【０００５】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，Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ，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、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に対する要求がますます
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、記録媒体との間隔を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マイクロティップから
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小記録面積が１０^-4μｍ²とな
る記録再生装置が提案されている。

【０００６】また、ＳＴＭのマイクロティップをカンチ
レバーの自由端側に形成し、それぞれ独立に変位するカ
ンチレバーをマルチ化し、さらに半導体プロセスと一体
化して同一基板上にトンネル電流検知用のマイクロティ
ップ付きカンチレバーと、そのトンネル電流を増幅処理
するアンプ、カンチレバー駆動とトンネル電流の選択の
ためのマルチプレクサ、シフトレジスタ、等を積載する
記録再生装置が提案されている。

【０００７】ここで、かかるカンチレバーの製造方法を
図を用いて詳細に説明する。先に示した図６は一個のカ
ンチレバー型微小変位素子の各製造工程を表している。
先ず、（１００）Ｓｉ基板１の両面にＬＰＣＶＤ装置で
Ｓｉ₃Ｎ₄膜９を１００ｎｍ成膜して裏面のみをパターニ
ングし（図６（ａ）），ＫＯＨ水溶液等を用いＳｉ₃Ｎ₄
膜９をマスクとしカンチレバー領域のＳｉの異方性エッ
チングを行い、数１０μｍ厚のＳｉメンブレンを形成す
る（図６（ｂ））。次に、表面にＡｌ等の電極層３を成
膜してパターニングし、同様にしてＺｎＯのような圧電
体薄膜層４をスパッタで成膜しパターニングを行い、そ
れらを繰り返す（図６（ｃ））。次に、マイクロティッ
プ８をマスクを形成後に基板を傾斜させて成膜、あるい
はティップ材を成膜後にマスクを形成し等方性エッチ等
により形成する（図６（ｄ））。最後にポリイミド等で
表面を覆いＳｉとＳｉ₃Ｎ₄をエッチングし、ポリイミド
を除去する（図６（ｅ））。以上が従来のカンチレバー
の製造工程である。

【０００８】このようなカンチレバー型圧電素子をトン
ネル顕微鏡のＳＴＭプローブとして使用する際は、その
変位量及び作動力は非常に重要となってくる。トンネル
顕微鏡はマイクロティップの先端を数Åまで試料に近づ
け、その間を流れるトンネル電流をモニターすることに
よって試料表面の凹凸を観察するものである。このた
め、ＳＴＭプローブとしては、高速でかつ精度よく微小
変位することが望ましい。ここでカンチレバー型圧電素
子は、酸化亜鉛膜のような圧電体薄膜を逆圧電効果によ
り変位させているので、圧電体薄膜の圧電性を制御しな
けらばならない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
のカンチレバー型圧電素子では、カンチレバーの圧電体
層の側面が剥き出しになっており、空気中の水分等の吸
着により圧電性が劣化し変位特性が悪化することがあ
る。また、大気中に長期間放置していると、カンチレバ
ー先端の反りが助長され、特に複数の素子をマルチ化し
たものにあっては、その反り量のばらつきが増大し、高
速かつ精度の高い変位が得られないという問題が有っ
た。

【００１０】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圧電体層の圧電性の劣化を防止
すると共に、カンチレバーの反りの変化を防止し、高速
かつ精度の高い変位が得られる微小変位素子及びそれを
用いた信頼性の高いトンネル電流検出装置並びに情報処
理装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
すべく成された本発明は、第１に、圧電体膜と該圧電体
膜を逆圧電効果により変位させるための電極とを積層し
てなるカンチレバー（片持ち梁）の上面自由端部に情報
入出力用マイクロティップを具備する微小変位素子にお
いて、上記カンチレバーを構成する圧電体膜の表面にフ
ロロカーボン膜を設けたことを特徴とする微小変位素子
である。

【００１２】第２に、前記フロロカーボン膜が前記カン
チレバーの上面及び側面に設けられており、且つ該カン
チレバーの下面に引っ張り応力を有するＳｉＯＮを設け
たことを特徴とする上記第１の微小変位素子である。

【００１３】第３に、上記第１又は第２の微小変位素子
を同一Ｓｉ基板上に複数設けたことを特徴とするマルチ
微小変位素子である。

【００１４】第４に、前記フロロカーボン膜を、プラズ
マにより成膜する上記第１〜第３いずれかの微小変位素
子の製造方法である。

【００１５】第５に、上記第１〜第３いずれかの微小変
位素子と、該微小変位素子の駆動手段と、該駆動手段を
制御する制御手段を具備し、該微小変位素子に対向配置
された電気導電体と前記マイクロティップとの間に電圧
を印加し、これらの間に流れるトンネル電流の検出結果
に基づき、電気導電体表面の情報を出力することを特徴
とするトンネル電流検出装置である。

【００１６】第６に、上記第１〜第３いずれかの微小変
位素子と、該微小変位素子の駆動手段と、該駆動手段を
制御する制御手段と、前記マイクロティップと記録媒体
との間にパルス電圧を印加しうる情報記録用パルス電圧
印加回路を具備することを特徴とする情報処理装置であ
る。

【００１７】第７に、上記第１〜第３いずれかの微小変
位素子と、該微小変位素子の駆動手段と、該駆動手段を
制御する制御手段と、前記マイクロティップと記録媒体
との間にバイアス電圧を印加しうる情報再生用バイアス
電圧印加回路を具備することを特徴とする情報処理装置
である。

【００１８】第８に前記制御手段が、前記記録媒体と前
記マイクロティップとの間に流れるトンネル電流の検出
結果に基づき、前記微小変位素子を変位させるための駆
動電圧を変化させ、その信号を微小変位素子を構成する
電極に与えるものであることを特徴とする上記第６又は
第７の情報処理装置である。

【００１９】以下、本発明を図面を用いて説明する。

【００２０】図１は本発明の微小変位素子の特徴を最も
良く表す図であり、図１（ａ）は縦断面図、図１（ｂ）
は横断面図である。これは、Ｓｉ基板１上に通常のＩＣ
作製プロセスとＳｉの異方性エッチングとにより作製し
たものである。２はＳｉ基板１の異方性エッチングで残
った面であり、Ｓｉ基板１上に圧電体に電圧をかけるた
めの下電極３および中電極５と上電極７と圧電体４，６
を積層してカンチレバーを形成している。８は情報入出
力用マイクロティップであり、取り出し電極１１を介し
てカンチレバーの上面自由端部に設けられている。尚、
１０は上記電極と圧電体を積層する前に基板１に形成し
たＳｉＯＮ膜である。本素子では、更に、カンチレバー
全体の表面にフロロカーボン膜１２を設けている。

【００２１】かかるフロロカーボン膜はプラズマにより
成膜できるため、常温で均一に緻密な膜を形成できると
共に、軽量且つ疎水性の膜であるため、カンチレバーの
応答性，変位量に大きな影響を与えることなく圧電体表
面を安定して保護することができ、大気中の水分等の吸
着による圧電性の劣化を防止できる。

【００２２】図１に示した素子は、Ｓｉ基板１との接合
面を支点とするバイモルフ型カンチレバーとし、カンチ
レバー部全面を覆うようにフロロカーボン膜を形成した
ものであるが、本発明はこのような構成に限定されるも
のではない。例えばカンチレバーをユニモルフ型として
も良く、また電極構成も図１の素子のように上電極７及
び下電極３を２分割電極としなくても良い。

【００２３】また、図１の素子において、引っ張り応力
を有するＳｉＯＮ膜１０をカンチレバー下面に残し、カ
ンチレバーの上面及び側面のみにフロロカーボン膜を形
成することもできる。このような構成とすることによ
り、圧電性の低下を防止できると共に、圧電体と電極の
薄膜積層体であるカンチレバーの内部応力に起因する上
反りを補正することができる。

【００２４】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明を具体的に詳述
する。

【００２５】実施例１本実施例は図１に示したような本発明の微小変位素子を
作製したものである。本実施例の微小変位素子の作製方
法を、先ず、カンチレバー作製前の基板製造工程から説
明する。

【００２６】図２は、この基板製造工程を示す図であ
る。先ず、（１００）Ｓｉウエハー１の裏面にＳｉ₃Ｎ₄
膜９を、表面にＳｉＯＮ膜１０をプラズマＣＶＤ装置で
それぞれ１００ｎｍずつ成膜した（図２（ａ））。次
に、Ｓｉ₃Ｎ₄膜９をパターニングし、ＫＯＨ水溶液等を
用いたＳｉ基板１の異方性エッチング時のマスクパター
ンを形成した（図２（ｂ））。その後、ＫＯＨによるＳ
ｉの異方性エッチングを行い、数１０μｍ厚のＳｉメン
ブレンを形成した（図２（ｃ））。

【００２７】このようにして作製した基板の上面に、下
電極３としてＲＦマグネトロンスパッタ法によりＰｔを
１００ｎｍ積層し、パターニングした。さらにＲＦマグ
ネトロンスパッタ法により圧電体ＺｎＯ薄膜４を５００
ｎｍ積層した。ターゲットはＺｎＯを用い、Ａｒ＋Ｏ₂
雰囲気中で成膜した。さらにスパッタ法によりＰｔ中電
極５を２００ｎｍ積層しパターニング後、再度スパッタ
法にて圧電体ＺｎＯ薄膜６を５００ｎｍ積層し、パター
ニングを行った。続いて、スパッタ法によってＰｔ上電
極７及び取り出し電極１１を１００ｎｍ堆積し、パター
ニングを行った。次に、マイクロティップ用電極材とし
てＡｕを蒸着し、フォトリソグラフィーとリフトオフに
よりマイクロティップ８を作製した。その後、ＫＯＨ溶
液によるＳｉの異方性エッチングを行い、反応性イオン
エッチング法によりＳｉＯＮ膜１０を除去し、カンチレ
バーを作製した。最後にカンチレバーの保護膜としてフ
ロロカーボン薄膜１２を成膜した。

【００２８】フロロカーボン薄膜１２は、通常の平行平
板型の反応性イオンエッチング装置を用い、以下の成膜
条件で数１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の膜厚で成膜した。

【００２９】エッチングガス：ＣＦ₄／Ｈ₂ 圧力：４０ＰａＲＦパワー：１００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）

【００３０】この時、マイクロティップ８の先端にもフ
ロロカーボン膜が堆積してしまうので、これを除去しな
ければならない。本実施例ではマイクロティップ８の横
方向からＡｒＦエキシマレーザー（１９３ｎｍ）を照射
し、レーザー励起エッチングによりティップ先端に付着
したフロロカーボン膜のみを除去した。

【００３１】この除去方法について図３を用いて説明す
る。真空チャンバー内で、ＡｒＦレーザーをカンチレバ
ーの横方向からレバーや基板表面には照射しないよう
に、マイクロティップ先端にのみ照射する。この時、Ｏ
₂またはＣＦ₄／Ｏ₂混合ガスをチャンバー内へ導入して
おく。レーザーのエネルギー（約６．４ｅＶ）はＯラジ
カル（約５．１ｅＶ）やＦラジカル（約５．６ｅＶ）を
生成するのに充分であり、レーザーの照射しているティ
ップ先端のフロロカーボン膜を解離し、Ｏラジカルある
いはＦラジカル／Ｏラジカルと反応してその反応生成物
が排気される。このようにすることでティップ先端の形
状をほとんど変化させずにフロロカーボン膜のみを除去
でき、素子をマルチ化してもレーザーをある範囲走査さ
せれば複数個の処理も容易に行うことができる。

【００３２】尚、マイクロティップ先端に付着したフロ
ロカーボン膜の除去方法としては、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓ
ｅｄＩｏｎＢｅａｍ）によりマイクロティップの先
端のみをスパッタする方法等も挙げられ、この方法によ
れば比較的容易に先端部のみの膜を除去できるが、ティ
ップ先端もエッチングされて曲率の大きい先端ができる
のと、レバーを複数個並べてマルチ化した時に全てのテ
ィップを一つずつ処理していかなくてはならない。

【００３３】以下のようにして作製した本実施例の微小
変位素子のカンチレバーのサイズは幅１００μｍ、長さ
５００μｍであり、カンチレバーを構成している電極間
に電圧を印加することにより、自由端先端部を微小変位
させることができる。

【００３４】次に、フロロカーボン膜を約５０ｎｍ成膜
した本実施例の微小変位素子の周波数応答性をとったと
ころ、一次の共振周波数は約４．２ｋＨｚであり、変位
量は、１．８μｍ／Ｖであった。比較例としてフロロカ
ーボンの保護膜を用いないで同じサイズ、構成の微小変
位素子を作製し、同様に周波数応答性をとったところ、
一次の共振周波数は約４．０ｋＨｚであり、変位量は
２．１μｍ／Ｖでありフロロカーボン薄膜で保護しても
応答性、変位量に大きく影響しないことがわかる。

【００３５】さらに、大気中で両微小変位素子を放置し
たところ、フロロカーボン保護膜のない素子の中には２
カ月後に変位が減少する素子もあるばかりでなく、反り
量が増加しているが、フロロカーボン保護膜を付けた素
子は全て何ら変化無かった。

【００３６】この様に、高速な応答性、精度良い変位量
を保ったまま、経時変化の少ないカンチレバー型圧電素
子を形成することができた。さらに所望の応答性ならび
に変位量を必要とする場合は、カンチレバー型圧電素子
の長さや厚さを変えたり、圧電体薄膜の材料を変える等
の設計を行えばよい。本実施例では圧電体薄膜としてＺ
ｎＯ薄膜を用いたが、これは、ＰｂＴｉＯ₃、ＰＺＴや
ＡｌＮ，Ｔａ₂Ｏ₅、ＰＬＺＴ、等の他の圧電材料でも構
わない。

【００３７】実施例２本実施例では、実施例１で示したマイクロティップ上に
付着したフロロカーボン薄膜の除去工程を必要としない
方法で本発明の微小変位素子を作製した。本実施例の素
子作製工程を図４を用いて説明する。尚、基板製造工程
から上層のＺｎＯ薄膜６のパターニングまでは、実施例
１と全く同じである。

【００３８】上記のＺｎＯ薄膜６のパターニングが終わ
った後、レジストマスクをそのままにし、厚さ１００ｎ
ｍのＳｉＯＮ膜１０を約５０ｎｍ反応性イオンエッチン
グによりエッチングする（図４（ａ））。続いて、スパ
ッタ法によってＰｔ上電極７及び取り出し電極１１を１
００ｎｍ堆積し、パターニングを行った。ここで、カン
チレバーの保護膜としてフロロカーボン薄膜１２を、実
施例１と同様に反応性イオンエッチング装置を用いて、
数１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の膜厚で成膜する（図４
（ｂ））。次に、マイクロティップ形成用のＳｉのリフ
トオフパターンを行い、取り出し電極１１上に開口部を
形成し、ここで反応性イオンエッチング（ＣＦ₄／Ｏ₂）
で同時に開口部分のフロロカーボン薄膜を除去する（図
４（ｃ））。次に、マイクロティップ用電極材としてＡ
ｕを蒸着し、リフトオフによりマイクロティップ８を作
製した。その後、ＫＯＨ溶液によるＳｉの異方性エッチ
ングを行う（図４（ｄ））。最後に、反応性イオンエッ
チング法によりＳｉＯＮ膜１０を裏面から除去するが、
カンチレバーの下の部分だけ厚いのでレバーの周囲のみ
エッチングが終わると、カンチレバーの下だけ約５０ｎ
ｍのＳｉＯＮ膜が残り、ＳｉＯＮ膜とフロロカーボン薄
膜を保護膜としたカンチレバーが得られる（図４
（ｅ））。

【００３９】この時、実施例１のカンチレバーでは上反
りであったが、ＳｉＯＮ膜が引っ張り応力を持った膜で
あり、本実施例のカンチレバーではほとんど反りはなか
った。

【００４０】次に、フロロカーボン膜を約５０ｎｍ成膜
した本実施例の微小変位素子の周波数応答性をとったと
ころ、一次の共振周波数は約４．４ｋＨｚであり、変位
量は１．６μｍ／Ｖであった。実施例１の素子と比較
し、周波数応答性は若干良いが、変位量が少し落ちる。
さらに、大気中で微小変位素子を放置したところ、実施
例１の素子同様に２カ月後も周波数応答性、変位量、反
り量は全く変化無かった。

【００４１】この様に、高速な応答性、精度良い変位量
を保ったまま、経時変化が少なく、上反りを補正してほ
とんど反りのないカンチレバー型圧電素子を形成するこ
とができた。さらに所望の応答性ならびに変位量を必要
とする場合は、カンチレバー型圧電素子の長さや厚さを
変えたり、圧電体薄膜の材料を変える等の設計を行えば
よい。

【００４２】実施例３本実施例では、本発明の微小変位素子を用いて情報の記
録、再生等を行う情報処理装置について述べる。

【００４３】図１に示したような本発明の微小変位素子
を同一Ｓｉ基板上に実施例１と同様にして５×６＝３０
本作製し、このマルチ微小変位素子を図５に示す情報処
理装置に取り付けた。

【００４４】同図において、１０１は記録媒体の基板、
１０２は金属電極層、１０３は記録層であり、これらに
より記録媒体を構成している。２０１はＸＹステージ、
２０２は本発明によるマルチ微小変位素子のプローブ
（マイクロティップ）、２０３は微小変位素子の支持
体、２０４は微小変位素子をＺ軸方向に駆動するリニア
アクチュエーター、２０５，２０６はＸＹステージをそ
れぞれＸ，Ｙ軸方向に駆動するリニアアクチュエータ
ー、２０７は記録・再生用のバイアス回路である。３０
１はプローブ電極２０２から記録層１０３を介して電極
層１０２へ流れる電流を検出する記録再生用のトンネル
電流検出器である。３０２はカンチレバーをＺ軸方向に
移動させるためのサーボ回路である。３０４は複数のカ
ンチレバーをＺ軸方向に動かすための駆動回路であり、
これは、微小変位素子を駆動する電圧値を独立に制御す
ることができ、これにより各微小変位素子のＺ軸方向の
位置を制御することができる。３０５は微小変位素子の
プローブ２０２，支持体２０３及びリニアアクチュエー
ター２０４全体のＺ軸方向の位置制御を行う駆動回路で
ある。３０３はアクチュエーター２０４を駆動するため
のサーボ回路である。３０６は、これらの操作を制御す
るコンピューターである。

【００４５】本実施例では、記録媒体の基板１０１とし
てガラス基板を用い、この上に電極層１０２としてＣｒ
／Ａｕを蒸着し、その上部に記録層１０３としてポリイ
ミドＬＢ膜を４層（約１５Å）成膜したものを用いた。
尚、この記録媒体には、パルス電圧を加えると抵抗率が
２桁程度変化する特徴がある。記録媒体の電極１０２と
微小変位素子の先端のマイクロティップ２０２に１Ｖの
電圧を印加した。３０本全ての微小変位素子のマイクロ
ティップが、それぞれ１ｎＡ程度のトンネル電流になる
ように各微小変位素子の圧電体薄膜に電界を加えてプロ
ーブの位置をＺ軸方向に移動させた。この際、３０本の
カンチレバーの圧電薄膜に各自独立にかけた電界の値の
ばらつきはほとんど±５％以内でありほぼ均一であっ
た。また、３０本のカンチレバーの先端の反り量のばら
つきは±３％以内の均一性で得られている。

【００４６】次に、３０本の微小変位素子の圧電薄膜に
かける電圧を全て同じにしたところ、それぞれのプロー
ブのトンネル電流値は０．１ｎＡ〜５ｎＡの範囲内にお
さまっていた。

【００４７】その後、プローブにパルス電圧（５Ｖ，１
μｓｅｃ）を加え、所望の位置に情報を記録した。尚、
その領域は約１００Å×１００Å程度と非常に小さく、
超高密度の記録を行うことができた。

【００４８】次に、プローブと記録媒体の電極間に１Ｖ
の電圧を印加し、トンネル電流の変化をみたところ、先
ほど記録した領域に抵抗値が変化した部分を検出した。
このように、本実施例においては、記録情報の書き込
み、読みだしが行えることを確認した。

【００４９】実施例４本実施例では、実施例２で示したような本発明の微小変
位素子を同一Ｓｉ基板上に実施例２と同様の方法で５×
６＝３０本作製し、このマルチ微小変位素子を図５に示
した情報処理装置に取り付けた。

【００５０】実施例３と同様に、記録媒体としてガラス
基板上にＣｒ／Ａｕを蒸着し、その上部にポリイミドＬ
Ｂ膜を４層（約１５Å）成膜したものを用いた。記録媒
体の電極と微小変位素子の先端のマイクロティップに１
Ｖの電圧を印加し、３０本全ての微小変位素子のマイク
ロティップが、それぞれ１ｎＡ程度のトンネル電流にな
るように各微小変位素子の圧電体薄膜に電界を加えてプ
ローブの位置をＺ軸方向に移動させた。この際、３０本
のカンチレバーの圧電薄膜に各自独立にかけた電界の値
のばらつきはほとんど±１％以内と非常に均一性が高か
った。また、３０本のカンチレバーの先端の反りは全て
０であった。

【００５１】次に、３０本の微小変位素子の圧電薄膜に
かける電圧を全て同じにしたところ、それぞれのプロー
ブのトンネル電流値は０．１ｎＡ〜５ｎＡの範囲内にお
さまっていた。

【００５２】その後、プローブにパルス電圧（５Ｖ，１
μｓｅｃ）を加え、所望の位置に情報を記録した。尚、
その領域は約１００Å×１００Å程度と非常に小さく、
超高密度の記録を行うことができた。

【００５３】次に、プローブと記録媒体の電極間に１Ｖ
の電圧を印加し、トンネル電流の変化をみたところ、先
ほど記録した領域に抵抗値が変化した部分を検出した。
このように、本実施例においても、記録情報の書き込
み、読みだしが行えることを確認した。

【００５４】実施例５本実施例では、図５に示したような装置をＳＴＭとして
用い、被観察物の表面観察を行った結果について述べ
る。

【００５５】実施例３，４で述べた記録媒体を被観察物
として走査し、プローブ電極と被観察物との間に電圧を
印加し、トンネル電流値の結果を出力するとＳＴＭ像が
得られる。更に本実施例では、被観察物としてＨＯＰＧ
（グラファイト）を用いて、ＳＴＭ像を得たところ、広
範囲にわたって像を原子オーダーで観察でき、再現性良
く非常に安定な像が得られた。

【００５６】また、装置の耐久性も向上し、長時間にわ
たって良好な観察を行うことができ、更には、２カ月間
記録再生装置を大気中に放置した後でも、同様に安定な
像が得られた。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の微小変位
素子は以下の効果を奏する。

【００５８】カンチレバーを構成する圧電体薄膜の表
面保護膜としてフロロカーボン薄膜を用いることによ
り、カンチレバーの応答性，変位量に大きな影響を与え
ることなく圧電体表面を安定して保護でき、大気中の水
分等の吸着を防ぎ、圧電性の劣化を防止できると共に反
り量の経時変化も防止できる。

【００５９】圧電薄膜カンチレバーの下部に引っ張り
応力を持つＳｉＯＮ膜を残し、側面と上部にフロロカー
ボン薄膜を保護膜として用いることにより、圧電性を低
下させないだけでなく、カンチレバー形成時の内部応力
による上反りも補正できる。さらに複数のカンチレバー
を同一基板上に作製した時に、それらの反りを全て補正
できるので、反りのバラツキをなくすことができる。

【００６０】また、本発明の微小変位素子を用いて構成
した本発明のトンネル電流検出装置及び情報処理装置
は、耐久性が向上すると共に、安定かつ信頼性の高い装
置となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の微小変位素子の断面図であ
る。

【図２】本発明の微小変位素子の基板製造工程を示す模
式図である。

【図３】本発明の実施例１の微小変位素子の作製工程
で、マイクロティップ先端に付着したフロロカーボン膜
の除去方法を説明するための図である。

【図４】本発明の実施例２の微小変位素子の作製工程を
示す模式図である。

【図５】本発明の情報処理装置のブロック図である。

【図６】従来例の微小変位素子の作製工程を示す模式図
である。

【符号の説明】

１Ｓｉ基板２エッチング面３下部電極４圧電体薄膜５中電極６圧電体薄膜７上部電極８マイクロティップ９Ｓｉ₃Ｎ₄薄膜１０ＳｉＯＮ薄膜１１取り出し電極１２フロロカーボン薄膜１０１記録媒体基板１０２金属電極層１０３記録層２０１ＸＹステージ２０２プローブ電極２０３支持体２０４Ｚ軸方向リニアアクチュエーター２０５Ｘ軸方向リニアアクチュエーター２０６Ｙ軸方向リニアアクチュエーター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駆動回路３０５駆動回路３０６コンピューター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者島田康弘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)発明者山本敬介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

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体膜と該圧電体膜を逆圧電効果によ
り変位させるための電極とを積層してなるカンチレバー
（片持ち梁）の上面自由端部に情報入出力用マイクロテ
ィップを具備する微小変位素子において、上記カンチレ
バーを構成する圧電体膜の表面にフロロカーボン膜を設
けたことを特徴とする微小変位素子。
【請求項２】前記フロロカーボン膜が前記カンチレバ
ーの上面及び側面に設けられており、且つ該カンチレバ
ーの下面に引っ張り応力を有するＳｉＯＮを設けたこと
を特徴とする請求項１に記載の微小変位素子。
【請求項３】請求項１又は２に記載の微小変位素子を
同一Ｓｉ基板上に複数設けたことを特徴とするマルチ微
小変位素子。
【請求項４】前記フロロカーボン膜を、プラズマによ
り成膜する請求項１〜３いずれかに記載の微小変位素子
の製造方法。
【請求項５】請求項１〜３いずれかに記載の微小変位
素子と、該微小変位素子の駆動手段と、該駆動手段を制
御する制御手段を具備し、該微小変位素子に対向配置さ
れた電気導電体と前記マイクロティップとの間に電圧を
印加し、これらの間に流れるトンネル電流の検出結果に
基づき、電気導電体表面の情報を出力することを特徴と
するトンネル電流検出装置。
【請求項６】請求項１〜３いずれかに記載の微小変位
素子と、該微小変位素子の駆動手段と、該駆動手段を制
御する制御手段と、前記マイクロティップと記録媒体と
の間にパルス電圧を印加しうる情報記録用パルス電圧印
加回路を具備することを特徴とする情報処理装置。
【請求項７】請求項１〜３いずれかに記載の微小変位
素子と、該微小変位素子の駆動手段と、該駆動手段を制
御する制御手段と、前記マイクロティップと記録媒体と
の間にバイアス電圧を印加しうる情報再生用バイアス電
圧印加回路を具備することを特徴とする情報処理装置。
【請求項８】前記制御手段が、前記記録媒体と前記マ
イクロティップとの間に流れるトンネル電流の検出結果
に基づき、前記微小変位素子を変位させるための駆動電
圧を変化させ、その信号を微小変位素子を構成する電極
に与えるものであることを特徴とする請求項６又は７に
記載の情報処理装置。