JPH06317404A

JPH06317404A - カンチレバー型アクチュエータ及びそれを用いた走査型探針顕微鏡並びに情報処理装置

Info

Publication number: JPH06317404A
Application number: JP5131037A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Watanabe; 信男渡邊; Takayuki Yagi; 隆行八木; Tomoko Yamamoto; 智子山本; Masaru Nakayama; 優中山; Yoshio Suzuki; 義勇鈴木; Keisuke Yamamoto; 敬介山本; Harunori Kawada; 春紀河田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-05-10
Filing date: 1993-05-10
Publication date: 1994-11-15

Abstract

(57)【要約】【目的】走査型探針顕微鏡に用いられ、表面の凹凸が
比較的大きな試料を観察する場合にも、探針の接触角の
変化や位置ずれが小さいカンチレバー型アクチュエータ
を提供する。【構成】固定電極１３を有する基板１１に、固定端側
の機械的強度の小さい部分１と探針１７が設けられてい
る自由端側の機械的強度の大きい部分２から成るカンチ
レバー１６が、支持体１５により支持されているカンチ
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、走査型トンネル顕微鏡
（以下、ＳＴＭと略す）や原子間力顕微鏡（以下、ＡＦ
Ｍと略す）等の走査型探針顕微鏡（以下、ＳＰＭと略
す）に用いられる片持ち梁（カンチレバー）構造の変位
素子（アクチュエータ）、及びこれを用いたＳＰＭ、さ
らにはＳＴＭの手法により情報の記録再生等を行う情報
処理装置等に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、導体の表面原子の電子構造を直接
観測できるＳＴＭがジー・ビーニッヒらにより開発（フ
ェルベティカフィジィカアクタ，５５，７２６（１
９８２）．）されて以来、先端の尖った探針を走査する
事により様々な情報を得るＳＰＭ装置や、基板に電気
的、科学的あるいは物理的作用を及ぼす事を目的とした
ＳＰＭを応用した微細加工技術の研究開発が行われてい
る。また、半導体加工技術やマイクロメカニクス技術に
より、例えば薄膜で形成した梁の上に探針を作製したコ
ンパクトなＳＰＭ装置などが開発されている。

【０００３】上記のＳＴＭは、導電性プローブ（探針）
と導電性物質の間に電圧を加えて、１ｎｍ程度の距離ま
で近づけると、その間にトンネル電流が流れることを利
用している。この電流は両者の距離変化に非常に敏感で
かつ指数関数的に変化するので、トンネル電流を一定に
保つようにプローブを走査することにより、実空間の表
面構造を原子オーダーの分解能で観察することができ
る。

【０００４】このＳＴＭを用いた解析は導電性材料に限
られるが、導電性材料の表面に薄く形成された絶縁膜の
構造解析にも応用され始めている。更に、上述の装置、
手段は微小電流を検知する方法を用いているため、媒体
に損傷を与えず、かつ低電力で観測できる利点をも有す
る。また、大気中での動作も可能であるためＳＴＭの広
範囲な応用が期待されている。

【０００５】特に、特開昭６３−１６１５５３号公報等
に提案されているように、高密度な記録再生装置として
の実用化が積極的に進められている。これは、ＳＴＭと
同様にプローブを用いて、プローブと記録媒体間に印加
する電圧を変化させて記録を行うものである。

【０００６】従来、これらの装置に用いられたカンチレ
バーの形成手法としては、半導体製造プロセス技術を用
い、１つの基板上に微細な構造を作る加工技術［Ｋ．
Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ， “Ｓｉｌｉｃｏｎａｓａ
ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌ”，Ｐｒ
ｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩＥＥＥ，７０
（５），４２０−４５７（１９８２）］が知られてい
る。

【０００７】このような手法により作製されるカンチレ
バーの駆動方法としては、カンチレバー自体あるいはカ
ンチレバーに形成された電極と基板上に形成された固定
電極とに電圧を印加することにより静電力を働らかせて
カンチレバーを変位させる方法や、上記カンチレバー部
に圧電性を有する薄膜を用い、平行平板電極により電圧
を印加し、逆圧電効果による変位を利用する方法が提案
されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記静電力を利用する
従来のカンチレバー型アクチュエータは、そのカンチレ
バー部の機械的強度がほぼ均一であるため、例えば探針
を試料表面に接触した状態で走査すると図１１に示され
るように探針１７が不図示の試料表面の凸部（高さ
Ｚ_a）にある時、カンチレバー１６は自由端部に近づく
程大きく曲がってしまう。このため、試料表面の平坦部
と、比較的大きな凸部とで、探針の接触角が大きく異な
ってしまう。また、探針の先端のＸ軸の位置も、図に示
した様にＸ_aだけずれてしまう事になる。従って、Ｚ軸
方向に凹凸を有する試料表面を測定する場合、解像度が
悪くなってしまうという問題を有していた。

【０００９】一方、逆圧電効果を利用する従来のカンチ
レバー型アクチュエータは、カンチレバー自体がヤング
率の低い圧電体でできているため固有振動数をあまり高
くすることができず、これを高速度で駆動する場合に、
カンチレバー自体の機械的共振により寄生振動が発生
し、精密駆動を妨げる原因となっていた。

【００１０】従って、本発明の目的は、上記従来例の有
する問題点に鑑み、表面の凹凸が比較的大きな試料につ
いて走査する場合にも、探針の接触角の変化が小さく、
且つ探針の位置ずれも小さくすることができるカンチレ
バー型アクチュエータを提供することにある。

【００１１】また本発明の他の目的は、カンチレバー自
体の固有振動数を高め、高速且つ精密駆動が可能な逆圧
電効果を利用したカンチレバー型アクチュエータを提供
することにある。

【００１２】更に本発明の他の目的は、これらのカンチ
レバー型アクチュエータを用いた走査型探針顕微鏡や情
報処理装置等を提供することにある。

【００１３】

【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、固定電極を有する基
板上に薄膜構造体より成るカンチレバーを設けたカンチ
レバー型アクチュエータであって、上記カンチレバーは
少なくとも２つ以上の機械的強度の異なる部分より成
り、且つ該カンチレバーの固定端近傍部分が他の部分よ
りも機械的強度が小さいことを特徴とするカンチレバー
型アクチュエータである。

【００１４】第２に、圧電体薄膜と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薄膜が積層されたカ
ンチレバーを基板上に設けたカンチレバー型アクチュエ
ータにおいて、上記カンチレバーの上部に積層された電
極薄膜には、カンチレバーの長軸方向に連続した突起部
が形成されていることを特徴とするカンチレバー型アク
チュエータである。

【００１５】先ず、本発明第１のカンチレバー型アクチ
ュエータについて図面を用いて説明する。

【００１６】図１は本発明第１のカンチレバー型アクチ
ュエータの特徴を最も良く表わす駆動時の様子を模式的
に示した図である。尚、図中、カンチレバーの長手方向
をＸ軸、短手方向をＹ軸、これらに垂直な方向をＺ軸と
している。同図において、１１は絶縁性基板、１３は固
定電極、１５は絶縁性の支持体、１６は導電性のカンチ
レバー、１７はカンチレバー１６の自由端部に設けられ
た探針である。カンチレバー１６には機械的強度が互い
に異なる部分１及び２が有り、カンチレバーの固定端近
傍の部分１が部分２よりも機械的強度が小さい。

【００１７】このことにより、図１に示した様に、探針
１７が不図示の試料表面の凸部（高さＺ_a）にある時、
カンチレバー１６は全体的に反る様なことは無く、固定
端近傍の機械的強度の弱い部分１を中心とする円運動を
するため、図１１に示した従来の場合に比べて探針１７
の接触角のずれが小さい。また、探針１７の先端のＸ軸
の位置ずれも図１１に示した従来の場合に比べて小さく
Ｘ_bだけで済み、より高い解像度が得られる。

【００１８】本発明第１において、前記機械的強度が異
なる部分１及び２は、例えば、これらの部分における断
面形状を異ならせることにより容易に形成できるが、こ
れに限定されるものではない。

【００１９】また、図１に示したようなカンチレバーを
同一基板上に複数設けることもでき、更には、これら複
数のカンチレバーの自由端部に導電性の探針を設けるこ
ともできる。

【００２０】また、本発明第１において、前記少なくと
も２つ以上の機械的強度の異なる部分の内の少なくとも
１つ、例えば図１における部分２が主にカンチレバー１
６と固定電極１３とに静電力を与えるための部分である
場合には、静電駆動型の走査型探針顕微鏡等に用いるこ
とができ、部分２が主に前記カンチレバー１６と固定電
極１３との静電容量の変化を検出するための部分である
場合には、静電容量型の走査型探針顕微鏡等に用いるこ
とができる。

【００２１】また、本発明は、上記本発明第１のカンチ
レバー型アクチュエータを有し、前記探針を試料表面に
接近させて走査し、且つ、前記カンチレバーと前記固定
電極間の静電力により、該カンチレバーを走査面と垂直
な方向に変位させる走査型探針顕微鏡や、本発明第１の
カンチレバー型アクチュエータを有し、前記探針を試料
表面に接触させて走査し、且つ、前記カンチレバーと前
記固定電極間の静電容量により、該カンチレバーの走査
面と垂直な方向の変位を検出する走査型探針顕微鏡、更
には、これらの顕微鏡の複数を一つの装置とした複合顕
微鏡や、これらの顕微鏡構成を試料表面の特性を変化さ
せることに用いる加工装置をも提供するものである。

【００２２】次に、本発明第２のカンチレバー型アクチ
ュエータについて図面を用いて説明する。

【００２３】図６は本発明第２のカンチレバー型アクチ
ュエータの特徴を最も良く表わす構成図であり、図６
（ａ）はその平面図であり、図６（ｂ）及び（ｃ）はそ
れぞれ図６（ａ）における破線Ａ−Ａ’及び破線Ｂ−
Ｂ’の位置における断面図である。

【００２４】同図において、６１は基板、６２は下部電
極、６３は下部圧電体、６４は中間電極、６５は上部圧
電体、６６は上部電極、６７はカンチレバー部６８の長
軸方向に連続した突起部であり、この突起部６７は上部
電極６６の側縁部の上に形成されている。

【００２５】このような構成の本発明第２のカンチレバ
ー型アクチュエータは、各電極に外部より電圧を印加す
ることにより屈曲変位させることができる。

【００２６】即ち、中間電極６４を接地し下部電極６２
と上部電極６６に正または負の電圧を印加することによ
り屈曲変位する。これは電極面と垂直方向に分極軸を有
する圧電体に生ずるｄ₃₁で規定される逆圧電効果による
ものであり、上部圧電体６５と下部圧電体６３に伸長と
収縮の逆方向の変形が発生するためである。

【００２７】本発明第２のカンチレバー型アクチュエー
タは、特に、突起部６７を設けることにより、電極層や
圧電体層の厚さを増すことなく、カンチレバー部６８の
剛性を高めたものである。これにより、カンチレバー部
６８の機械的共振周波数をより高い方向へシフトさせる
ことができると共に、共振点におけるＱ値を低減するこ
ともできる。以上のことにより、カンチレバー部６８を
外部電圧により駆動する場合、寄生振動等の発生を低減
することができ、精密な駆動が可能となると共に、より
高周波での駆動が可能となる。

【００２８】本発明第２において、上記突起部６７を、
例えば基板６１上の部分まで延長して設けるのが好まし
く、これによりカンチレバー部６８の根元部分での強度
を増すことができ、長時間使用した場合の耐久性を向上
できる。更には、カンチレバーの厚み方向に生ずる応力
によるカンチレバー部６８の反りを低減できるものであ
る。

【００２９】本発明第２において、図６に示したような
カンチレバーを同一基板上に複数設けることもでき、更
には、これらの複数のカンチレバーの自由端部に導電性
の探針を設けることもできる。また、圧電体材料や電極
材料は特に限定されるものではなく、圧電体としては例
えばＺｎＯ，ＡｌＮ，ＰＺＴ，ＢａＴｉＯ₃，ＰＶＤＦ
等を用いることができ、電極としては例えばＡｕ，Ｃ
ｒ，Ａｌ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ等の金属や他の導電性
材料を用いることができる。

【００３０】また、本発明は上記本発明第２のカンチレ
バー型アクチュエータを具備する走査型トンネル顕微鏡
や、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をも提供するものである。

【００３１】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。

【００３２】実施例１本発明第１のカンチレバー型アクチュエータを静電容量
型ＡＦＭ装置に適用した例を図２と図３を用いて説明す
る。

【００３３】図２（ａ）は探針方向から見た平面図を、
図２（ｂ）は図２（ａ）のＡＡ断面図を、図２（ｃ）は
図２（ａ）のＢＢ断面と試料を含む電気配線図を、それ
ぞれ模式的に示したものである。図３は図２（ｂ）と同
じ断面で示したプロセスフローである。図中、２１は絶
縁性基板、２２は犠牲層エッチングの保護膜、２３は固
定電極、２４は固定電極の配線、２５は絶縁性の支持
体、２６は導電性の片持ち梁、２７は先端の尖った探
針、２８は空間、２９は静電容量検出ユニット、３０は
試料である。

【００３４】次に、図３を用いて本実施例のカンチレバ
ー型アクチュエータの作製方法について具体的に説明す
る。

【００３５】（ａ）単結晶面が（１００）である高抵
抗シリコン基板２１表面に、水酸化カリウム水溶液で結
晶軸異方性エッチングを行った後、窒化シリコン膜２２
を厚さ約５０ｎｍ堆積し、深さ約１μｍの凹部を形成す
る。

【００３６】（ｂ）化学的気相成長（ＣＶＤ）法によ
り多結晶シリコン膜を厚さ０．３μｍ堆積し、リン
（Ｐ）イオンを約１×１０¹⁶ｃｍ^-2注入することで固定
電極２３を形成する。

【００３７】（ｃ）犠牲層となるＳｉＯ₂膜を厚さ２
μｍ堆積する。この絶縁膜の一部は後に支持体２５とな
る。

【００３８】（ｄ）ＣＶＤ法により多結晶シリコン膜
を厚さ１μｍ堆積し、Ｐイオンを約１×１０¹⁶ｃｍ^-2注
入した後、熱処理により、注入部の活性化を行う。次
に、通常のフォトリソエッチング法により多結晶シリコ
ン膜をパターニングする。この部分は後に片持ち梁２６
となる。

【００３９】（ｅ）片持ち梁２６の自由端部となる付
近に、先端の尖った探針２７を形成する。

【００４０】（ｆ）ＳｉＯ₂犠牲層をフッ酸でエッチ
ング除去し、片持ち梁２６と固定電極２３との間に空間
２８を得る。

【００４１】以上の工程により、図２に示した様な、機
械的強度の異なる２つの領域を有する片持ち梁を容易に
且つ、それぞれの領域の位置を精度良く作製することが
できた。この片持ち梁の断面は、平らな部分と中央が凹
んだ部分とがあり、後者は構造的に機械的曲げ強度が高
い。従って図１に示した様に、梁の固定端近傍の平坦部
でのみ曲がるので、試料の凹凸に追従する探針先端の軌
跡は円運動に近いものとなる。

【００４２】本実施例の装置を用いて試料表面の測定を
行ったところ、試料表面の凹凸の大きさにもよるが、図
１１に示した様な従来の梁構造の測定結果より、分解能
が平均して２％以上向上した。特に、表面凹凸の比較的
大きな試料ほど有効に作用し、分解能の向上が顕著であ
った。

【００４３】本実施例では、基板としてシリコンウエハ
ーを、片持ち梁として多結晶シリコン膜を用いたが、い
ずれも他の結晶材料でも非晶質材料でもかまわない。ま
た梁の一部に高い機械的曲げ強度を得る手段としても、
基板の異方性エッチングや等方性エッチング等により凹
みを形成後に梁へ転写する方法だけに限らない。

【００４４】実施例２本発明第１のカンチレバー型アクチュエータを静電駆動
型ＳＴＭ装置に適用した例を、図４を用いて説明する。
尚、図４（ａ）は探針方向から見た平面図を、図４
（ｂ）は図４（ａ）のＡＡ断面図を、図４（ｃ）は図４
（ａ）のＢＢ断面と試料を含む電気配線図を、それぞれ
模式的に示したものである。

【００４５】このカンチレバー型アクチュエータの作製
方法は基本的には実施例１とほぼ同様であり、片持ち梁
の表面に絶縁層を設け、その上にトンネル電流用配線を
付加した形態である。同図において、４１は絶縁性基
板、４２は固定電極、４３は固定電極の配線部、４４は
梁の支持体、４５は導電性片持ち梁、４６は絶縁膜、４
７はトンネル電流用配線、４８は導電性の探針、４９は
梁を静電駆動するユニット、５０はトンネル電流を検出
するユニット、５１は導電性試料である。

【００４６】導電性試料５１の表面観察では、先ず、導
電性試料５１の表面に探針４８を接近させ、トンネル電
流検出ユニット５０によりトンネル電流用配線４７に流
れる電流が１０ｐＡで一定となる様に、静電駆動ユニッ
ト４９により片持ち梁４５と固定電極４２とに電圧を印
加しながら、探針４８で試料表面をＸＹ走査した。この
時の片持ち梁４５と固定電極４２とに印加した電圧値の
変化（探針のＺ軸変位に対応）をＸＹ走査位置に合わせ
てプロットすることにより、試料５１の表面形状を得
た。本実施例では、従来構成のＳＴＭより分解能が平均
で２％程度向上した。

【００４７】実施例３実施例２で説明した本発明の静電駆動型ＳＴＭ装置をＳ
ＴＭ／ＡＦＭ装置として使用した例を説明する。尚、装
置は実施例２で示した構成で良い。但し、４９は片持ち
梁駆動機能と静電容量検出機能とを有するユニットであ
る。

【００４８】この様な装置は、実施例２に示した測定法
によりＳＴＭとして使用可能であると共に、実施例１に
示した測定法によりＡＦＭとして使用することが可能で
ある。例えば、ＳＴＭモードで観測した試料表面の同一
領域を、次にＡＦＭモードで観測することにより、電気
的に観測した表面状態（導電性分布を含む）と、物理的
な表面状態との両方の情報を混同することなく得ること
が可能となるため、試料表面の状態を正確に得ることが
可能である。

【００４９】実施例４本実施例では、探針が設けられた片持ち梁を複数個有す
る本発明第１のカンチレバー型アクチュエータをマルチ
ＡＦＭ装置に適用した例について説明する。

【００５０】図５は、基本的には、実施例１で示したＡ
ＦＭ構成（図２参照）を同一基板内に３つ形成した例で
ある。基板としてシリコンウエハーを用い、半導体プロ
セス技術とマイクロメカニクス技術とで作製することに
より、容易に、かつ、ばらつき無く複数個のＡＦＭ構成
を形成可能である。また、それらを駆動／制御するＩＣ
回路をも同一基板内に作り込む事も可能である。即ち、
同時に複数のＡＦＭ観察が可能となる。複数の片持ち梁
あるいは探針の配置については、直線状以外にも、マト
リクス状など２次元配列することが容易である。また、
実施例２で示したＳＴＭ構成、更には実施例３で示した
ＳＴＭ／ＡＦＭ複合機をマルチ化して用いることも可能
である。

【００５１】実施例５実施例２で示した静電駆動型ＳＴＭ装置（図４参照）
と、試料として金（Ａｕ）を表面に堆積したシリコンウ
エハーとを、真空排気したチャンバー内に設置し、チャ
ンバーの真空度が約１×１０^-4Ｔｏｒｒとなる様に６フ
ッ化タングステン（ＷＦ₆）ガスを導入した。この状態
で試料表面のＳＴＭ観察を行なったところ、探針の走査
領域に対応してＷがＡｕ表面に堆積した。この様なＳＴ
Ｍ構成による試料表面への選択堆積あるいはエッチング
等の加工にも、本発明第１のカンチレバー型アクチュエ
ータを具備する本実施例の装置は加工精度において非常
に有効に作用した。

【００５２】実施例６本実施例は、図６に示したような本発明第２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、本
実施例のカンチレバー型アクチュエータの製造方法を図
７を用いて説明する。

【００５３】先ず、Ｓｉ₃Ｎ₄よりなる保護膜７１が形成
されている面方位（１００）の単結晶シリコン基板６１
上へ、密着性確保のためＣｒを５Å真空蒸着した後、Ａ
ｕを１０００Å蒸着した。この後、感光性レジストを塗
布してフォトグラフにより不要部分のＡｕ／Ｃｒをエッ
チング除去し、下部電極６２を形成した（図７（ａ）参
照）。

【００５４】次に、スパッタ蒸着法により、下部圧電体
６３となるＺｎＯを３０００Å形成した（図７（ｂ）参
照）。この時、スパッタ蒸着の条件を制御することによ
り、圧電分極軸である結晶Ｃ軸を電極面と垂直に配向さ
せることができる。

【００５５】次に、下部圧電体６３の上に再び真空蒸着
によりＡｕを１０００Å成膜した後、感光性レジストを
塗布して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、所定の形状の中間電極６４を形成した
（図７（ｃ）参照）。

【００５６】次に、図７（ｂ）の工程と同様に、スパッ
タ蒸着法により上部圧電体６５となるＺｎＯを３０００
Å形成した（図７（ｄ）参照）。

【００５７】次に、一般的にリフトオフ法と呼ばれる手
法を用いて、上部電極６６と突起部６７を形成した（図
７（ｅ）参照）。即ち、上部圧電体６５の上に感光性レ
ジストを塗布し、パターニングを行い上部電極６６を形
成する部分のみレジストを除去し、上部圧電体６５の表
面を露出させる。このようにしてレジストの一部に開孔
部を形成した状態でスパッタ蒸着によりＡｕを１０００
Å形成する。この時、成膜されるＡｕ膜は開孔部底面の
上部圧電体６５の表面だけでなく、開孔部側壁のレジス
ト上にも形成され、上部電極６６と共に突起部６７とな
る部分も同時に形成される。この後、レジストを溶剤に
より除去することにより不要部分のＡｕ膜も除去され、
上部電極６６と突起部６７が形成される。

【００５８】この工程における成膜方法はスパッタ蒸着
に限らず真空蒸着によっても形成可能である。真空蒸着
を用いる場合は、蒸発源に対して基板を垂直よりも傾け
ることによりレジストに形成した開孔部側壁へ成膜する
ことができ、傾き方向を反転させることにより対向する
側壁への成膜が可能となる。

【００５９】次に、フォトリソグラフにより不要部分の
ＺｎＯをエッチング除去した後、基板６１の裏面より異
方性エッチングを行い、保護膜７１の位置までＳｉを除
去した。続いて、反応性イオンエッチングにより保護膜
７１を取り除き、カンチレバー部６８を形成した（図７
（ｆ）参照）。

【００６０】尚、上記製造工程において、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：Ｉ
₂水溶液、ＺｎＯに対しては酢酸水溶液、Ｃｒに対して
は（ＮＨ₄）₂Ｃｅ（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、保護膜７１の反応性イオンエッチングにはＣＦ₄
ガスを用いた。

【００６１】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本発明に係る突起部６
７の高さの違いによる駆動特性の一例を示す。

【００６２】カンチレバー部６８の長さ：４００μｍカンチレバー部６８の幅：１００μｍ突起部の高さ０．９μｍのときの共振周波数：７．
４ｋＨｚ突起部の高さ０．６μｍのときの共振周波数：６．
１ｋＨｚ突起部を設けないときの共振周波数：４．９ｋＨｚ

【００６３】上記のように本実施例では突起部６７の高
さを調節することにより、カンチレバー部６８の機械的
共振周波数を任意に設計することができ、突起部６７の
存在により共振点における損失を増大させ、Ｑ値を低減
できる。これにより、外部からの駆動の際、寄生振動の
発生を低減することができた。

【００６４】また、突起部６７はカンチレバー部６８全
体の強度を高めるため、駆動の際に破損が少なくなり耐
久性も向上した。

【００６５】実施例７本実施例は、図８に示される本発明第２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。尚、図８
（ａ）は平面図、図８（ｂ）及び図８（ｃ）はそれぞれ
図８（ａ）中のＡ−Ａ面及びＢ−Ｂ面における断面図で
ある。

【００６６】同図において、図６と同一符号で表したも
のは同様の部材を示しており、８１は引出し電極、８２
は探針である。即ち本実施例では、実施例６の構成に加
えて、上部圧電体６５上に引出し電極８１を形成し、カ
ンチレバー部６８の自由端部に引出し電極８１と接する
ように探針８２を形成している。

【００６７】このような構成を有する本実施例のカンチ
レバー型アクチュエータは走査型トンネル顕微鏡（ＳＴ
Ｍ）のプローブとして用いることができる。即ち、各電
極６２，６４，６６に所定の駆動電圧を印加し、カンチ
レバー部６８を屈曲変位させ、探針８２を観察しようと
する導電性の試料表面へこれらの間にトンネル電流が流
れる距離まで接近させる。このトンネル電流を引出し電
極８１を通じて取出し増幅を行い、カンチレバー部６８
の駆動電圧にフィードバックをかけることにより、探針
８２の先端と試料表面までの距離を一定に保つことがで
きる。このような状態で試料またはカンチレバー型アク
チュエータを試料面内方向に微小に移動させ、この時の
フィードバック電圧の変化をモニターすることにより試
料表面の極微細な凹凸形状や導電率の違いを観察するこ
とが可能である。

【００６８】本実施例では、上部電極６６，引出し電極
８２，突起部６７を形成した後、フォトレジストを７μ
ｍ塗布し、探針を形成する位置のレジストのみを除去
し、続いて斜め方向よりの蒸着と基板回転を組み合せる
ことにより６μｍの高さを有する探針８２を形成した。
尚、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。

【００６９】本実施例のカンチレバー型アクチュエータ
は、上部電極６６と引出し電極８２の双方に突起部６７
を設けたことにより、機械的共振周波数が高く寄生振動
の発生が少ないため、これを用いて構成した走査型トン
ネル顕微鏡は、より高速走査が可能となり且つＳ／Ｎ比
の高い画像を得ることができた。

【００７０】実施例８本実施例は、図８に示したような本発明第２のカンチレ
バー型アクチュエータを、同一のシリコン基板上に複数
個作製し、半導体素子と共に集積化して図９に示すよう
な集積化アクチュエータ９０を形成したものである。

【００７１】本実施例の集積化アクチュエータは、実施
例６で示した製造工程においてフォトリソグラフの際に
フォトマスクのパターンを拡張するだけで作製すること
ができる。

【００７２】図９において、同一のシリコン基板６１上
には複数のカンチレバー型アクチュエータが形成されて
おり、各々のカンチレバー型アクチュエータは半導体素
子９１に接続されている。半導体素子９１には内部配線
９２が接続され、外部端子９３を通して外部と入出力で
きるようになっている。

【００７３】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。

【００７４】集積化アクチュエータ外寸：４０ｍｍ×４０
ｍｍ×１ｍｍカンチレバー型アクチュエータ個数：９０本カンチレバー部の長さ：４００μｍカンチレバーの幅：１００μｍ探針の長さ：６μｍ突起部の高さ：１μｍ

【００７５】本実施例ではフォトリソグラフを用いて多
数の微小な構造体を同一の基板上へ一括して形成してい
るため、各部の寸法精度が極めて高く、各カンチレバー
の特性を均一にすることができた。また、突起部６７を
設けたことによりカンチレバー部の機械的強度が増し、
カンチレバー内部の応力による反りを低減でき、そのば
らつきを非常に小さくすることができた。

【００７６】実施例９本実施例は、図９に示したような本発明の集積化アクチ
ュエータを用いて情報処理装置を作製したものである。

【００７７】図１０に本実施例の情報処理装置のブロッ
ク構成図を示す。

【００７８】同図において、１０１は記録媒体の基板、
１０２は金属薄膜電極層、１０３は記録層である。２０
１はＸＹステージ、２０２は本発明の集積化プローブ、
２０３は集積化プローブ２０２の支持体、２０４は集積
化プローブ２０２をＺ軸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軸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
は探針から記録層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軸方向へ移動させるため
のサーボ回路でり、３０３はリニアアクチュエータ２０
４を駆動す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、３０５は集積化プローブ２０２，支持体２０３，リ
ニアアクチュエータ２０４全体のＺ軸方向の位置制御を
行う駆動回路である。３０６はこれらの操作を制御する
コンピュータである。

【００７９】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
プローブ２０２に１Ｖの電圧を印加し、１ｎＡ程度のト
ンネル電流になるように各カンチレバーを構成している
駆動用電極に電流を流し、プローブの位置をＺ軸方向に
移動させた。

【００８０】その後、プローブ２０２にパルス電圧（５
Ｖ，１μｓｅｃ）を加え、所望の位置に情報を記録し
た。

【００８１】次に、プローブ２０２と記録媒体の電極層
１０２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。

【００８２】このようなシステムに本発明による集積化
アクチュエータ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であり、更には、カンチレバ
ー個々の反りのばらつきが小さいため、書き込み、読み
出しの精度を向上させることができた。

【００８３】また、カンチレバー部の共振周波数を高い
周波数へシフトさせることができたことで、駆動周波数
を上げることができ、書き込み・読み出しをより高速で
行うことができた。

【００８４】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば以下
の効果を奏する。

【００８５】（１）本発明第１のカンチレバー型アク
チュエータは、カンチレバー部の固定端近傍に比較的機
械的強度の小さい部分を形成したことにより、カンチレ
バー全体が反り返える様に変位することが無いため、走
査型探針顕微鏡等に用いて表面の凹凸が比較的大きな試
料を観察する場合においても、カンチレバーの自由端部
に設けられている探針の接触角の変化が小さく、また探
針の位置ずれも小さくすることが可能となり、分解能が
向上した。また、上記走査型探針顕微鏡の構成を有する
加工装置では、試料表面への加工精度の向上が図られ
た。

【００８６】（２）本発明第２のカンチレバー型アク
チュエータは、カンチレバーの長軸方向に連続した突起
部を設けたことにより、電極層や圧電体層を厚くするこ
となくカンチレバー部の剛性を高めることができた。こ
れにより、機械的共振点を高周波側へ移行させることが
可能となり、共振点における損失を増大させ、Ｑ値を低
減できる。よって、外部より駆動する場合、駆動周波数
を高めることができ、寄生振動の発生も抑制されるため
精密制御が可能となる。更にカンチレバー部の機械的強
度が増すため耐久性も向上し、カンチレバー内部の応力
による反りを低減できる。また、これを用いて構成した
走査型トンネル顕微鏡や情報処理装置は、より高速駆動
が可能で、高精度且つ信頼性の高い装置とすることがで
きた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１のカンチレバー型アクチュエータの
駆動時の様子を模式的に示した図である。

【図２】実施例１にて示す本発明第１のカンチレバー型
アクチュエータを用いた静電容量型ＡＦＭの概念図であ
る。

【図３】本発明第１のカンチレバー型アクチュエータの
作製工程を示す断面図である。

【図４】実施例２にて示す本発明第１のカンチレバー型
アクチュエータを用いた静電駆動型ＳＴＭの概念図であ
る。

【図５】実施例４にて示す本発明第１のカンチレバー型
アクチュエータを用いた静電容量型マルチＡＦＭの概念
図である。

【図６】実施例６にて示す本発明第２のカンチレバー型
アクチュエータの構成図である。

【図７】図６のカンチレバー型アクチュエータの製造工
程図である。

【図８】実施例７にて示す本発明第２のカンチレバー型
アクチュエータの構成図である。

【図９】実施例８にて示す本発明第２の集積化アクチュ
エータの概略的な構成図である。

【図１０】実施例９にて示す本発明第２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１１】従来例のカンチレバー型アクチュエータの駆
動時の様子を模式的に示した図である。

【符号の説明】

１機械的強度の小さい部分２機械的強度の大きい部分１１基板１３固定電極１５支持部１６カンチレバー１７探針２１絶縁性基板２２犠牲層除去時の保護膜２３固定電極２４固定電極の配線２５絶縁性の支持体２６導電性の片持ち梁２７先端の尖った探針２８空間２９静電容量検出ユニット３０試料４１絶縁性基板４２固定電極４３固定電極の配線４４絶縁性の支持体４５導電性の片持ち梁４６絶縁膜４７トンネル電流用配線４８導電性の探針４９静電駆動ユニット５０トンネル電流検出ユニット５１導電性試料６１絶縁性基板６２下部電極６３下部圧電体６４中間電極６５上部圧電体６６上部電極６７突起部６８カンチレバー部７１保護膜８１引出し電極８２探針９０集積化アクチュエータ９１半導体素子９２内部配線９３外部端子１０１記録媒体基板１０２金属電極層１０３記録層２０１ＸＹステージ２０２集積化アクチュエータ２０３支持体２０４Ｚ方向リニアアクチュエータ２０５Ｘ方向リニアアクチュエータ２０６Ｙ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 (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 (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

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定電極を有する基板上に薄膜構造体よ
り成るカンチレバーを設けたカンチレバー型アクチュエ
ータであって、上記カンチレバーは少なくとも２つ以上
の機械的強度の異なる部分より成り、且つ該カンチレバ
ーの固定端近傍部分が他の部分よりも機械的強度が小さ
いことを特徴とするカンチレバー型アクチュエータ。
【請求項２】前記機械的強度の相違が、前記カンチレ
バーの断面形状の違いに基づく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。
【請求項３】前記カンチレバーが、同一基板上に複数
設けら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。
【請求項４】前記カンチレバーの自由端部に導電性の
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。
【請求項５】前記少なくとも２つ以上の機械的強度の
異なる部分の内の少なくとも１つが、主に前記カンチレ
バーと前記固定電極とに静電力を与えるための部分であ
ることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のカン
チレバー型アクチュエータ。
【請求項６】前記少なくとも２つ以上の機械的強度の
異なる部分の内の少なくとも１つが、主に前記カンチレ
バーと前記固定電極との静電容量の変化を検出するため
の部分であることを特徴とする請求項１〜４いずれかに
記載のカンチレバー型アクチュエータ。
【請求項７】圧電体薄膜と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薄膜が積層されたカンチレ
バーを基板上に設けたカンチレバー型アクチュエータに
おいて、上記カンチレバーの上部に積層された電極薄膜
には、カンチレバーの長軸方向に連続した突起部が形成
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。
【請求項８】前記圧電体薄膜が酸化亜鉛であることを
特徴とする請求項７に記載のカンチレバー型アクチュエ
ータ。
【請求項９】前記カンチレバーが、同一基板上に複数
設けられていることを特徴とする請求項７又は８に記載
のカンチレバー型アクチュエータ。
【請求項１０】前記カンチレバーの自由端部に導電性
の探針を設けたことを特徴とする請求項７〜９いずれか
に記載のカンチレバー型アクチュエータ。
【請求項１１】請求項５に記載のカンチレバー型アク
チュエータを有し、前記探針を試料表面に接近させて走
査し、且つ、前記カンチレバーと前記固定電極間の静電
力により、該カンチレバーを走査面と垂直な方向に変位
させる走査型探針顕微鏡。
【請求項１２】請求項６に記載のカンチレバー型アク
チュエータを有し、前記探針と試料表面に接触させて走
査し、且つ、前記カンチレバーと前記固定電極間の静電
容量により、該カンチレバーの走査面と垂直な方向の変
位を検出する走査型探針顕微鏡。
【請求項１３】請求項１１又は１２に記載の複数の顕
微鏡を一つの装置とした複合顕微鏡。
【請求項１４】請求項１１〜１３いずれかに記載の顕
微鏡構成を、試料表面の特性を変化させることに用いた
加工装置。
【請求項１５】請求項１０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。
【請求項１６】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、請求項１０
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。