JPH08287534A

JPH08287534A - 情報記録再生ヘッドとその製造方法及び情報記録再生装置

Info

Publication number: JPH08287534A
Application number: JP9333795A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Ito; 達男伊藤; Kazuo Yokoyama; 和夫横山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-04-19
Filing date: 1995-04-19
Publication date: 1996-11-01

Abstract

(57)【要約】【目的】ヘッド本体に設けられたプローブの信号線と
支持バネに設けられた配線とを電気的に直接接続するこ
とによりリードワイヤを不要とし浮上特性への悪影響を
除き、組立を容易にすると共にヘッドを小型化する。【構成】ヘッド本体９に異方性エッチングにより貫通
穴を形成し、絶縁層を焼成し成膜した後、導電性物質を
貫通穴に充填するとともに、プローブ電極１４と、支持
バネ１６に形成された電極パッド１７とを前記導電性物
質を介して電気的に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、走査プローブ
顕微鏡のプローブヘッドや情報記録再生装置のピックア
ップヘッドに用いることのできる情報記録再生ヘッドと
その製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、走査型トンネル顕微鏡や原子間力
顕微鏡、磁気力顕微鏡等（以降、走査型プローブ顕微鏡
と総称する。）を用いて、高密度の情報の記録再生を行
う研究が盛んになされている。その一例としてＡＦＭ
（原子間力顕微鏡＝Atomic ForceMicroscope）を用いた
記録再生についてその原理を簡単に説明する（「ジェイ
エーピーピーエルフィジックス第７０巻第５番」
（"Charge storage ina nitride-oxide-silicon medium
by scanning capacitance microscopy", J. Appl. Phy
s, Vol.70, No.5,pp.2725-2733, 1 September 199
1））。

【０００３】ＡＦＭのカンチレバー上に設けた導電性の
探針を導電性支持体上の誘電体層（窒化シリコン）に接
触させ、バイアス電圧を印加すると、電荷が誘電体層に
トラップされ情報が記録される。再生は探針と基板間の
静電容量をセンサで検出して行なう。また、逆バイアス
による消去ならびに繰り返し記録が可能である。

【０００４】記録媒体はボロンを添加した多結晶シリコ
ン基板上に酸化膜と窒化膜を設けたものである。この記
録媒体にタングステン探針を接触させて、−２５Ｖの電
圧を２０μ秒印加し、７５ｎｍのピットを記録してい
る。記録密度は実に１８０ビット／μｍ² に達してお
り、従来の２００倍以上となっている。一方、記録再生
のためのヘッドとしては、Akamineらの論文（「センサ
ーズアンドアクチュエイターズ」("A planar Process
for Microfabrication of a Scanning Tunneling Micr
oscope", Sensors & Actuators, A21-23, pp.964-970,
1990.)）に示されているヘッドが挙げられる。

【０００５】図６はこの従来のヘッドの構成を示してい
る。図６において、１はシリコン基板、２はカンチレバ
ーであり、その先端には探針３が設けられている。カン
チレバー２の寸法は、８（厚み）×２００（幅）×１０
００（長さ）μｍである。

【０００６】カンチレバー２は、基本的に薄膜ピエゾ素
子４および５からなるバイモルフ構造である。薄膜ピエ
ゾ素子４の上には電極６ａ〜６ｃが設けられ、また、薄
膜ピエゾ素子５の下には電極６ａ、６ｂとほぼ同一形状
の電極７ａ、７ｂが設けられている。なお、薄膜ピエゾ
素子４、５の間にも電極８が設けられ、探針３は電極６
ｃ上に構成されている。各電極６ａ〜６ｃ、７ａ、７
ｂ、８には、図に示すようにそれぞれ配線がなされてお
り、各パッドを通して任意に電圧を印加することができ
る。

【０００７】次に、このヘッドの動作を図７〜図１０を
用いて簡単に説明する。周知の如くピエゾ素子は電界の
方向に応じて伸長または収縮する性質を持つため、電極
８を接地した状態に保持しておき、電極６ａ、６ｂ、７
ａ、７ｂに正負の電圧を適当に印加することにより、薄
膜ピエゾ素子４および５に与えられる電界を制御してカ
ンチレバー２を自由に変形させることができる。例え
ば、図７に示すように、電極６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂに
同極性の電圧を印加し、薄膜ピエゾ素子４と５に同じ方
向の電界を与えると、カンチレバー２全体がその長手方
向（矢印Ｘ）に伸縮することになる。

【０００８】また、図８〜図１０に斜線で示す（例えば
右上がりの細かい斜線を正、右下がりの粗い斜線を負）
ように、各々の電極に正負の電圧を印加して薄膜ピエゾ
素子４と５に与える電界を制御すれば、左右方向への変
形（図８、矢印Ｙ）、上下方向への変形（図９、矢印
Ｚ）、あるいはねじり（図１０、矢印Ｍ）というように
自由度の高い動きをカンチレバー２に与えることができ
る。

【０００９】以上のように電極６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ
に印加する電圧を制御することでカンチレバー２を自由
に伸縮、変形させ、しかもピエゾ素子がきわめて高い分
解能を持つことから、その先端の探針３を精密に駆動し
て、試料の走査をすることができる。この結果、半導体
プロセスを用いてシリコン基板上にピエゾ素子を積層し
た走査プローブ顕微鏡用のヘッドを構成できることにな
り、走査プローブ顕微鏡の超小型化や高機能化に大きく
貢献するものと期待されている。また、従来の記録再生
装置のピックアップヘッドとしては、特に例を挙げて説
明するまでもないが、ＶＴＲや磁気ディスク装置に使用
する磁気ヘッド、光ディスク装置に使用する光学ヘッド
といったものが一般的である。記録再生装置は常に小型
軽量化や大容量化を追求しており、そのためには高密度
記録技術やピックアップヘッドに代表される精密機構技
術の進展が必要不可欠である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
において、例えば回転ディスク上に記録再生を行おうと
すると、ヘッドのストロークが小さいため、粗動機構が
必要になり、ヘッドにボンディングされたリード線を介
して、電気的な接続を行う必要があった。このため、ヘ
ッドを粗動機構にマウントする工程とリード線をボンデ
ィングする工程とが必要で、かつ、ヘッドにはボンディ
ングパッドを設けねばならず、コスト的にも、また、ヘ
ッドの小型化という点からも課題を有していた。

【００１１】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
で、ヘッドを大型化することなくプローブのリード線の
取り出しが可能で、また複数個のヘッドを支持バネにマ
ウントすると同時に電気的接続を行える製造の容易な情
報記録再生ヘッドとその製造方法を提供することを目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に第一の発明は、導電性物質が充填された貫通穴を有す
るヘッド本体と、前記ヘッド本体に設けられた記録及
び、または再生用のプローブと、前記ヘッド本体を弾性
的に支持する支持バネと、前記支持バネに形成された配
線パターンとを備え、前記プローブの信号線を前記導電
性物質を介して前記配線パターンと接続した構成であ
る。

【００１３】また、第二の発明はヘッド本体がシリコン
基板であって、貫通穴を異方性エッチングにより形成す
るという工程を有する。

【００１４】また、第三の発明はヘッド本体を第１のウ
ェハに複数個作製する工程と、シリコン基板からなる支
持バネを第２のウェハに複数個作製する工程と、第１の
ウェハと第２のウェハを位置合わせして接合する工程
と、接合されたヘッド本体と支持バネを一組として分割
する工程を有する。

【００１５】

【作用】第一の発明の作用は、回転記録媒体上を浮動ま
たは摺動するヘッド本体の、回転記録媒体と対向する面
にプローブを設けてあり、もう一方の面からプローブの
ある面まで貫通する貫通穴を設け、貫通穴に導電性物質
を充填してプローブの信号線と接続すると共に、プロー
ブのある面と反対側の面には配線パターンを形成した支
持バネを、配線パターンが該導電性物質と接続されるよ
うにヘッド本体と接合することにより、プローブと配線
パターンの電気的接続を行うものである。

【００１６】また、第二の発明の作用は、ヘッド本体を
シリコン基板として、該シリコン基板の表裏面を例えば
水酸化カリウム水溶液や、エチレンジアミンピロカテコ
ール（ＥＤＰ）等のアルカリ性エッチング液に不溶のマ
スク材（例えばシリコン窒化膜）で被膜し、その後、貫
通穴の必要な部分だけをマスク材を除去した後に、上述
したアルカリ性エッチング液により、シリコン基板をエ
ッチングすることにより、上記貫通穴を形成するもので
ある。

【００１７】また、第三の発明の作用は、ヘッド本体と
支持バネとをシリコン基板から半導体プロセスにより作
製することを利用して、複数のヘッド本体を形成した第
１のウェハと、複数の支持バネを形成した第２のウェハ
とを、各ヘッド本体に設けられた貫通穴と、各支持バネ
に形成された配線パターンのボンディングパッドが互い
に接続されるように位置合わせして接合した後、接合さ
れたヘッド本体と支持バネとを一組として分割すること
によって、情報記録再生ヘッドを得るものである。

【００１８】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の一実施例について、図面を参
照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施例の
情報記録再生ヘッドの斜視図である。

【００１９】図１において、９はヘッド本体であり、面
方位が（１００）のシリコン基板から成っている。１０
はカンチレバーであり、例えばシリコン基板上に成膜し
たシリコン窒化膜である。１１はカンチレバー１０上に
形成した下部電極であり、１２はその上に形成したＺｎ
ＯやＰＺＴなどの圧電薄膜である。１３は上部電極であ
り、下部電極１１とペアで圧電薄膜１２に電圧を印加で
きるようにしている。１４はプローブ電極であり、先端
に設けられたプローブ１５の信号を取り出すためのもの
である。１６は支持バネであり、例えばシリコン基板に
エッチングにより、ジンバル機構を形成し、ヘッド本体
が所定の範囲内で可動することが出来るようにしてい
る。１７は支持バネ１６の表面に形成された電極パッド
であり、電極パッド１７から配線が支持バネ１６上に引
き回されている。

【００２０】図２は本発明の第１の実施例の情報記録再
生ヘッドのヘッド本体９の断面図であり、図２において
図１と同一物については同一番号を賦し説明を省略す
る。図２において、１８は貫通穴であり、１９は貫通穴
１８に充填された導電性物質であり、例えば導電性ポリ
イミドや導電性エポキシ、導電性ペースト等である。貫
通穴１８はヘッド本体９の異方性エッチングにより形成
する（シリコンアズアメカニカルマテリアル
Ｋ．Ｅ．ピーターセンＰｒｏｃ．ｏｆｔｈｅＩＥＥ
Ｅ７０巻５号ｐ４２０〜１９８２）。

【００２１】初めに例えば減圧ＣＶＤ法により成膜した
シリコン窒化膜でシリコン基板であるところのヘッド本
体９を被膜しておき、貫通穴１８を設けたい箇所に所定
の大きさの矩形開口を例えばドライエッチングにより開
ける。次いで水酸化カリウム水溶液やＥＤＰにより数時
間から十数時間エッチングすると（１００）面のエッチ
ング速度が速く、（１１１）面のエッチング速度は非常
に遅いのでエッチング穴は側面が（１１１）面で囲まれ
た四角錐の形状になる。その後、貫通穴１８の表面に２
酸化シリコンを有機溶剤に溶かした溶液を塗布後、焼成
して、図示しない絶縁層を形成した。ヘッド本体９及び
その内部構造はすべて一般的な半導体プロセスにより、
第１のシリコン基板上に縦横２０ｍｍピッチで複数個作
製した。

【００２２】図３はそのプロセスを示す図であって、図
３（ａ）においてヘッド本体９に減圧ＣＶＤ法により、
シリコン窒化膜を成膜する。次に図３（ｂ）でＳＦ₆ 等
の反応ガスを用いた反応性イオンエッチングによりカン
チレバー１０のパターニングを行う。尚、図３（ｇ）に
その上面を示す。図３（ｃ）では上述した異方性エッチ
ングにより、カンチレバー１０下部のシリコンを除去す
る。図３（ｄ）では下部電極１１となる例えば白金やニ
クロム等の金属膜をスパッタ等により成膜・パターニン
グする。更に図３（ｅ）において圧電薄膜１２となるＰ
ＺＴ（ジルコンチタン酸鉛）をスパッタや、レーザーデ
ポジションにより成膜した後パターニングする。

【００２３】最後に上部電極１３および、プローブ電極
１４となる金属膜を成膜・パターニングすることによ
り、プロセスが終了する。その後上述した方法により、
貫通穴を作製した。支持バネ１６もジンバル機構のパタ
ーニングと配線のパターニングを行うことにより、第２
のシリコン基板上に縦横２０ｍｍピッチで複数個成膜し
た。ヘッド本体と支持バネのプロセスが終了した段階で
ヘッド本体の貫通穴に導電性物質を充填した後、第１、
第２のシリコン基板を貫通穴１８と電極パッド１７とが
重なるように位置合わせして接触させ、加熱または、超
音波振動等により両者を接合した。その後、シリコン基
板からヘッド本体と支持バネとをダイヤモンドソーやエ
ッチングにより切り出すことによって、複数組のヘッド
本体及び支持バネを得ることが出来た。

【００２４】図１、図２は浮動型の情報記録再生ヘッド
に関するものであり、ヘッド本体９は支持バネ１６に接
合された状態で図示しない回転記録媒体上にプローブ１
５が対向するように保持され、記録媒体が回転すること
により、ヘッド本体９と回転記録媒体間に発生する正圧
または負圧により一定の間隙で回転記録媒体上で浮動す
る。プローブ１５は従来例の説明と同様に、圧電薄膜１
２に下部電極１１と上部電極１３を用いて電圧を印加す
ることにより、カンチレバー１０が変形して、回転記録
媒体に一定の力で接触または、一定の間隙をあけて近接
され、従来例で述べたようにＡＦＭ等の原理により、記
録再生を行う。プローブ電極１４及び、下部電極１１、
上部電極１３の配線の一端は図２に示すように貫通穴１
８の一方の開口部に接しており、導電性物質１９を介し
て支持バネ１６上に形成された電極パッド１７と電気的
に接続された。

【００２５】以上のように本実施例によれば、ヘッド本
体に設けられた貫通穴に充填された導電性物質を介して
プローブと支持バネに形成された配線パターンとを電気
的に接続することにより、ワイヤーによるリード線の取
り出しが不要になり、かつヘッド本体と支持バネの固定
と電気的接続を同時に行うことが出来た。また、さらに
ヘッド本体と支持バネとを２枚のシリコン基板上にそれ
ぞれ複数個作製して接合・分割することにより、均一な
品質のものを生産性良く作ることが出来た。

【００２６】以下本発明の第二の実施例について図面を
参照しながら説明する。本発明の第二の実施例の情報記
録再生ヘッドも、第一の実施例の情報記録再生ヘッドと
同じく回転記録媒体上の信号を記録再生するヘッドの例
である。本発明の第二の実施例の情報記録再生ヘッド
は、ヘッド本体の構造についてのみ第一の実施例の情報
記録再生ヘッドと異なるため、本実施例のヘッド本体に
ついてのみ説明する。

【００２７】図４（ａ）は、本発明の第二の実施例の情
報記録再生ヘッドのヘッド本体の形状を示す斜視図、図
４（ｂ）は同断面図である。

【００２８】図４において、２０はヘッド本体であり、
シリコンやアルミナ基板等である。２１は銅で形成され
た薄膜コイルである。２２はリターンプレートであり、
図示しない磁気メディアに磁束を戻すものである。２３
は電極パッドであり、薄膜コイル２１の両端に形成され
ている。２４はスライディングパッドであり、磁気メデ
ィアと接触・摺動する。２５はトップヨークであり、ス
ライディングパッド２４とリターンプレート２２と磁気
メディアと併せて磁気回路を形成する。２６は貫通穴で
中には導電性物質２７が充填されている。図４に示すヘ
ッド本体はマイクロフレックスヘッドとして知られてい
るもの（コンタクトパーペンディキュラーレコーデ
ィングオンリジッドメディアＨ．ハミルトン他
ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＭａｇ．２７巻６号
ｐｐ４９２１〜４９２６１９９１）とほぼ同じで、異
なる点は貫通穴２６と導電性物質２７を設けた点であ
る。以上のような構成とすることにより、第１の実施例
と同様にワイヤーによるリード線の取り出しが不要で、
支持バネとヘッド本体との固定及び電気的接続が同時に
行えると共に、バッチプロセスにより、均一な品質のも
のを生産性良く作ることが出来る。更に本発明の第２の
実施例においては摺動型のヘッドであるので、第１の実
施例と比べてヘッド本体に駆動機構が不要となり、簡単
な構成となるので製造が容易で、低コストにもなる。

【００２９】以下本発明の第三の実施例について図面を
参照しながら説明する。本発明の第三の実施例は情報記
録再生装置に関するものであり、図５は本実施例におけ
る情報記録再生装置の構成を示す図である。

【００３０】図５において、２８は回転記録媒体、２９
は回転記録媒体２８を回転させるモーターである。３０
ａ、３０ｂはヘッド本体であり、その構造については第
１、第２の実施例で例示した通りである。３１ａ、３１
ｂはそれぞれヘッド本体３０ａ、３０ｂを支持する支持
バネであり、その一端はリニア駆動アクチュエータ３２
に固定されている。３３は情報記録再生回路および駆動
回路である。

【００３１】以上のように構成された情報記録再生装置
について、その動作を説明する。図５において、回転記
録媒体２８がモーター２９により回転させられると、回
転記録媒体２８の両面に接触または、近接したヘッド本
体３０ａ、３０ｂが回転記録媒体２８の円周上を摺動ま
たは浮動する。また、ヘッド本体３０ａ、３０ｂは支持
バネ３１ａ、３１ｂによりリニア駆動アクチュエータ３
２に接続されており、回転記録媒体２８の半径方向に移
動することが出来る。情報記録再生回路及び駆動回路３
３はモーター２９とリニア駆動アクチュエータを制御す
ることにより、回転記録媒体２８の所定の場所にヘッド
本体３０ａ、３０ｂを位置決めして、情報を記録または
再生する。従来例で述べたように、ＡＦＭプローブを用
いた電荷注入型の記録再生方法を用いれば１８０ビット
／μｍ² の高密度記録が可能である。

【００３２】以上のように本実施例によれば、モーター
により回転する回転記録媒体にヘッド本体を接触また
は、近接させて半径方向に駆動するアクチュエータとモ
ーター及びアクチュエータを制御して、回転記録媒体の
所定の位置に情報を記録再生する回路を設けることによ
り、超高密度の記録再生が可能な情報記録再生装置を得
ることが出来る。

【００３３】尚、第１の実施例において貫通穴１８は異
方性エッチングにより加工したが、レーザー加工等の他
の加工手段で製作することも可能である。また、第１の
実施例においては、（１００）面のシリコン基板を用い
たが（１００）面から少し傾けた面を有するシリコン基
板を用いても構わない。さらに第３の実施例において記
録媒体を回転型としたが、ヘッド本体を記録媒体上で２
次元的に駆動する手段を設けて記録媒体は固定式にする
ことも、その逆も可能なことは言うまでもないものであ
る。また、各実施例における情報記録再生とは、情報の
記録再生のみならず、情報の記録のみ、情報の再生のみ
も含むことは言うまでもない。

【００３４】

【発明の効果】以上のように第一の発明によれば、ヘッ
ド本体に設けられた記録及び、または再生用のプローブ
の信号線を、ヘッド本体の貫通穴に充填された導電性物
質を介してヘッド本体を弾性的に支持する支持バネに形
成された配線パターンと接続することにより、ワイヤー
によるリード線の取り出しを不要として浮上特性に対す
る悪影響を低減することが出来ると共に、ヘッド本体と
支持バネとのマウントと電気的接続を同時に行うことが
でき小型で低コストの情報記録再生ヘッドを実現できる
ものである。

【００３５】また、第二の発明によれば、シリコン基板
からなるヘッド本体の貫通穴を異方性エッチングにより
形成することによって寸法や位置精度のよい貫通穴を製
造できる。

【００３６】また、第三の発明によれば、ヘッド本体を
第１のウェハに複数個作製する工程と、支持バネを第２
のウェハに複数個作製する工程と、第１のウェハと第２
のウェハを位置合わせして接合する工程と、接合された
ヘッド本体と支持バネを一組として分割する工程とによ
り均一な品質の情報記録再生ヘッドを生産性良く製造す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の情報記録再生ヘッドの
分解斜視図

【図２】本発明の第一の実施例の情報記録再生ヘッドの
断面図

【図３】（ａ）〜（ｇ）は第一の実施例の情報記録再生
ヘッドのヘッド本体の製造工程図

【図４】（ａ）は本発明の第二の実施例の情報記録再生
ヘッドのヘッド本体の斜視図（ｂ）は同情報記録再生ヘッドのヘッド本体の断面図

【図５】本発明の第三の実施例の情報記録再生装置の構
成図

【図６】従来のヘッドの構成を示す斜視図

【図７】従来のヘッドの動作を示す斜視図

【図８】従来のヘッドの動作を示す斜視図

【図９】従来のヘッドの動作を示す斜視図

【図１０】従来のヘッドの動作を示す斜視図

【符号の説明】

９ヘッド本体１０カンチレバー１１下部電極１２圧電薄膜１３上部電極１４プローブ電極１５プローブ１６支持バネ１７電極パッド１８貫通穴１９導電性物質２０ヘッド本体２１コイル２２リターンプレート２３電極パッド２４スライディングパッド２５トップヨーク２６貫通穴２７導電性物質２８回転記録媒体２９モーター３０ａ、ｂヘッド本体３１ａ、ｂ支持バネ３２リニア駆動アクチュエータ３３情報記録再生回路および駆動回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性物質が充填された貫通穴を有するヘ
ッド本体と、前記ヘッド本体に設けられた記録及び、ま
たは再生用のプローブと、前記ヘッド本体を弾性的に支
持する支持バネと、前記支持バネに形成された配線パタ
ーンとを備え、前記プローブの信号線を前記導電性物質
を介して前記配線パターンと接続したことを特徴とする
情報記録再生ヘッド。
【請求項２】ヘッド本体が浮動型ヘッドであることを特
徴とする請求項１記載の情報記録再生ヘッド。
【請求項３】ヘッド本体が摺動型ヘッドであることを特
徴とする請求項１記載の情報記録再生ヘッド。
【請求項４】支持バネがシリコン基板であることを特徴
とする請求項１記載の情報記録再生ヘッド。
【請求項５】請求項１記載の情報記録再生ヘッドを製造
する方法であって、ヘッド本体をシリコン基板とし、異
方性エッチングにより貫通穴を形成することを特徴とす
る情報記録再生ヘッドの製造方法。
【請求項６】貫通穴表面に絶縁材料を塗布し焼成するこ
とにより絶縁層を形成することを特徴とする請求項５記
載の情報記録再生ヘッドの製造方法。
【請求項７】ヘッド本体を第１のウェハに複数個作製す
る工程と、支持バネを第２のウェハに複数個作製する工
程と、前記第１のウェハと前記第２のウェハを位置合わ
せして接合する工程と、接合された前記ヘッド本体と前
記支持バネとを一組として分割する工程とからなる請求
項５記載の情報記録再生ヘッドの製造方法。
【請求項８】請求項１〜４のいずれかに記載の情報記録
再生ヘッドと、前記情報記録再生ヘッドに対向する記録
媒体と、前記情報記録再生ヘッドと前記記録媒体とを相
対的に駆動する手段と、前記情報記録再生ヘッドを用い
て、前記記録媒体に情報を記録再生する手段とからなる
情報記録再生装置。