JPH09196935A - 静電アクチュエータ及び、該アクチュエータを用いたプローブ、走査型プローブ顕微鏡、加工装置、記録再生装置 - Google Patents
静電アクチュエータ及び、該アクチュエータを用いたプローブ、走査型プローブ顕微鏡、加工装置、記録再生装置Info
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- JPH09196935A JPH09196935A JP8026103A JP2610396A JPH09196935A JP H09196935 A JPH09196935 A JP H09196935A JP 8026103 A JP8026103 A JP 8026103A JP 2610396 A JP2610396 A JP 2610396A JP H09196935 A JPH09196935 A JP H09196935A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】本発明は、従来の静電アクチュエータに比較し
て変位が大きく、制御性が良好で、発生力が大きい静電
アクチュエータと、その静電アクチュエータを用いた静
電駆動プローブと、その静電駆動プローブを用いた走査
型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡等の走査型プローブ
顕微鏡及びそれらを用いた加工装置、記録再生装置を提
供することを目的としている。 【解決手段】本発明は、上記課題を解決するため、基板
上に空隙を介して配置された可動平板と、該可動平板を
回転自在に支持する２つのトーションバーと、該可動平
板上に設けられている可動電極と、該可動電極に対向し
て該基板上に設けられている固定電極とを有する静電ア
クチュエータであって、前記可動電極を前記固定電極に
対して、前記可動電極の駆動方向に投影した際に、重な
る部分が無いように配置されていることを特徴とする静
電アクチュエータと、該アクチュエータを用いたプロー
ブ、走査型プローブ顕微鏡、加工装置、記録再生装置を
構成するものである。
て変位が大きく、制御性が良好で、発生力が大きい静電
アクチュエータと、その静電アクチュエータを用いた静
電駆動プローブと、その静電駆動プローブを用いた走査
型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡等の走査型プローブ
顕微鏡及びそれらを用いた加工装置、記録再生装置を提
供することを目的としている。 【解決手段】本発明は、上記課題を解決するため、基板
上に空隙を介して配置された可動平板と、該可動平板を
回転自在に支持する２つのトーションバーと、該可動平
板上に設けられている可動電極と、該可動電極に対向し
て該基板上に設けられている固定電極とを有する静電ア
クチュエータであって、前記可動電極を前記固定電極に
対して、前記可動電極の駆動方向に投影した際に、重な
る部分が無いように配置されていることを特徴とする静
電アクチュエータと、該アクチュエータを用いたプロー
ブ、走査型プローブ顕微鏡、加工装置、記録再生装置を
構成するものである。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、マイクロメカニクス技
術を用いて作成される、静電引力を用いて変位制御を行
う静電アクチュエータ、該アクチュエータを用いた静電
駆動プローブ、該静電駆動プローブを用いた走査型トン
ネル顕微鏡（以下、ＳＴＭと略す）や原子間力顕微鏡
（以下、ＡＦＭと略す）等の走査型プローブ顕微鏡（以
下、ＳＰＭと略す）、加工装置、情報処理装置に関する
ものである。
術を用いて作成される、静電引力を用いて変位制御を行
う静電アクチュエータ、該アクチュエータを用いた静電
駆動プローブ、該静電駆動プローブを用いた走査型トン
ネル顕微鏡（以下、ＳＴＭと略す）や原子間力顕微鏡
（以下、ＡＦＭと略す）等の走査型プローブ顕微鏡（以
下、ＳＰＭと略す）、加工装置、情報処理装置に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】半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
ベティカフィジカアクタ．５５，７２６（１９８２））
されて以来、先端の尖ったティップを走査することによ
り様々な情報を得るＳＰＭ装置や、さらに基板に電気
的、化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、このような微細加工技術はメモリ技術にも応
用されつつある。これらの微細加工技術による加工精度
は原子レベルの大きさから数μｍ程度の大きさまで様々
であるが、例えば数ｎｍの構造物１ビットとして情報を
記録した場合、媒体がほんの１ｃｍ角のものでも１０12
ビットオーダの記録密度を持つ情報処理装置が実現でき
る。また近年、半導体フォトプロセス等の微細加工技術
を用いたマイクロマシニング技術の分野で、各種のマイ
クロアクチュエータが考案されている。ＳＰＭティップ
の位置制御機構にこれらのマイクロアクチュエータを用
いることで、複数のプローブを持つＳＰＭ装置なども可
能となってきており、上述の微細加工のスループットや
情報処理装置の転送レートの向上等の改善がみられてい
る。現在までに提案されているマイクロアクチュエータ
を以下に例示する。
できるＳＴＭがジー・ビーニッヒらにより開発（フェル
ベティカフィジカアクタ．５５，７２６（１９８２））
されて以来、先端の尖ったティップを走査することによ
り様々な情報を得るＳＰＭ装置や、さらに基板に電気
的、化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、このような微細加工技術はメモリ技術にも応
用されつつある。これらの微細加工技術による加工精度
は原子レベルの大きさから数μｍ程度の大きさまで様々
であるが、例えば数ｎｍの構造物１ビットとして情報を
記録した場合、媒体がほんの１ｃｍ角のものでも１０12
ビットオーダの記録密度を持つ情報処理装置が実現でき
る。また近年、半導体フォトプロセス等の微細加工技術
を用いたマイクロマシニング技術の分野で、各種のマイ
クロアクチュエータが考案されている。ＳＰＭティップ
の位置制御機構にこれらのマイクロアクチュエータを用
いることで、複数のプローブを持つＳＰＭ装置なども可
能となってきており、上述の微細加工のスループットや
情報処理装置の転送レートの向上等の改善がみられてい
る。現在までに提案されているマイクロアクチュエータ
を以下に例示する。
【０００３】第１の例は圧電効果を利用したものであ
り、これに関する米国特許第４９０６８４０号明細書に
は、片持ち梁を圧電バイモルフ構造とした圧電型アクチ
ュエータの例が開示されている。第２の例は電極間に働
く静電引力を利用するものである。片持ち梁に形成され
た可動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引力を働かせて梁を変位させるタ
イプ（特開昭６２−２８１１３８号公報）や、トーショ
ンバーのねじれ弾性を利用して、トーションバーに支持
された平板部を静電駆動させるタイプ（Ｐｅｒｔｅｒｓ
ｅｎ，ＩＢＭ Ｊ．ＲＥＳ．ＤＥＶＥＬＯＰ．，ＶＯ
Ｌ．２４，ＮＯ．５，Ｓｅｐ．１９８０，ｐｐ．６３１
−６３７）等が提案されている。この形式は第１の例の
圧電効果を利用したものに比較して、構造が簡単である
特徴がある。
り、これに関する米国特許第４９０６８４０号明細書に
は、片持ち梁を圧電バイモルフ構造とした圧電型アクチ
ュエータの例が開示されている。第２の例は電極間に働
く静電引力を利用するものである。片持ち梁に形成され
た可動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引力を働かせて梁を変位させるタ
イプ（特開昭６２−２８１１３８号公報）や、トーショ
ンバーのねじれ弾性を利用して、トーションバーに支持
された平板部を静電駆動させるタイプ（Ｐｅｒｔｅｒｓ
ｅｎ，ＩＢＭ Ｊ．ＲＥＳ．ＤＥＶＥＬＯＰ．，ＶＯ
Ｌ．２４，ＮＯ．５，Ｓｅｐ．１９８０，ｐｐ．６３１
−６３７）等が提案されている。この形式は第１の例の
圧電効果を利用したものに比較して、構造が簡単である
特徴がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】そして、静電アクチュ
エータの駆動原理には、従来においていくつかの種類が
あるが、それらにはつぎのような問題があった。この点
につき、まず、導電性の平行平板を対向させて電圧をか
けたときに発生する静電引力を用いる形式のアクチュエ
ータについて考える。この形式のアクチュエータを以下
平行平板対向型アクチュエータと称する。平行平板対向
型アクチュエータの概念図を図９に示す。３０３は固定
電極、３０６は可動電極、３１５はバイアスばねであ
る。固定電極３０３と可動電極３０６は同じ面積を持っ
た導電性の平板で、可動電極３０６は固定電極３０３に
対して平行を保ったまま動けるようにバイアスばねで支
持されている。平行平板対向型アクチュエータの固定電
極３０３と可動電極３０６の間の静電容量Ｃ1は、次式
で与えられる。 ここで、ε0は真空の誘電率、Ａは固定電極３０３と可
動電極３０６の面積、ｄ0は電極間の初期ギャップ、ｘ
は可動電極の変位である。固定電極３０３と可動電極３
０６の間に一定電圧Ｖを印加した際の静電引力Ｆ1は、
次式のように電極間に貯えられる静電エネルギーＥ1を
変位ｘで微分して求めることができる。 一方、バイアスばね３１５の復元力Ｆｒは次式で与えら
れる。 ここで、ｋはバイアスバネ３１５のバネ定数である。変
位ｘと静電引力Ｆ1の関係を図１０の実線で、復元力Ｆ
ｒを点線で示す。Ｖ＝Ｖ1のとき、ＦａとＦｒはｘがｘA
のときとｘBの時に等しくなる。ｘ＝ｘAにおいてｘが減
少する向きに変位したとすると、ＦａがＦｒよりも強く
なりｘを増加させる向きに力が働く。逆に、ｘが増加す
る向きに変位したとすると、ＦｒがＦａよりも強くなり
ｘを減少させる方向に力が働く。すなわち、ｘ＝ｘAに
おいては、変化した向きとは逆向きの復元力が働くの
で、ｘ＝ｘAは安定な平衡点といえる。一方、ｘ＝ｘBの
ときには、変化した向きと同じ方向に力が働くので、こ
の点は安定な点ではないことがわかる。つまり、Ｖ＝Ｖ
1のときのアクチュエータの安定な平衡点はｘ＝ｘAであ
る。Ｖ＝Ｖ2のときＦａとＦｒはｘ＝ｄ0／３の１点で接
する。このときの電圧Ｖ2を崩れ電圧といい、以下Ｖｃ
で表す。Ｖ＝Ｖ3においては、ＦａとＦｒは等しくなる
点は存在せず、常に静電引力Ｆａの方が強くなる。この
状態になるとアクチュエータは変位ｘがｄ0と等しくな
る。 電圧Ｖとアクチュエータの変位ｘの関係を図１１
に示す。電圧Ｖを上げてゆくと、アクチュエータの変位
ｘは増加してゆき、Ｖが崩れ電圧Ｖｃに達するとｘが一
気にｄ0まで増加することがわかる。この現象を利用し
てアクチュエータをデジタル的に変位させる技術も公知
である（特開平４−２３０７２３号公報）。しかし、連
続的な変位が必要な場合には、ＶはＶｃ未満の範囲で使
用しなければならず、最大変位は初期ギャップｄ0の１
／３以下に制限される。つまり、変位を大きくするため
には、初期ギャップｄ0を大きくしなければならない。
しかし、駆動電圧Ｖが同じだとすると、平行平板対向型
アクチュエータの発生力Ｆ1は電極間ギャップの二乗に
逆比例して発生力が小さくなってしまうという問題点が
ある。また、崩れ電圧Ｖｃ近傍ではアクチュエータの挙
動が不安定で制御が難しいので、アクチュエータを安定
に用いる為には、変位は電極間ギャップｄ0の１／３よ
りもさらに小さくしなければならない。例えば、特開昭
６２−２８１１３８で開示された例においては、片持ち
梁の長さが１００μｍ、電極間距離が６μｍのプローブ
の最大変位が０．２μｍとなっており、最大変位は初期
ギャップの３．３％にすぎない。
エータの駆動原理には、従来においていくつかの種類が
あるが、それらにはつぎのような問題があった。この点
につき、まず、導電性の平行平板を対向させて電圧をか
けたときに発生する静電引力を用いる形式のアクチュエ
ータについて考える。この形式のアクチュエータを以下
平行平板対向型アクチュエータと称する。平行平板対向
型アクチュエータの概念図を図９に示す。３０３は固定
電極、３０６は可動電極、３１５はバイアスばねであ
る。固定電極３０３と可動電極３０６は同じ面積を持っ
た導電性の平板で、可動電極３０６は固定電極３０３に
対して平行を保ったまま動けるようにバイアスばねで支
持されている。平行平板対向型アクチュエータの固定電
極３０３と可動電極３０６の間の静電容量Ｃ1は、次式
で与えられる。 ここで、ε0は真空の誘電率、Ａは固定電極３０３と可
動電極３０６の面積、ｄ0は電極間の初期ギャップ、ｘ
は可動電極の変位である。固定電極３０３と可動電極３
０６の間に一定電圧Ｖを印加した際の静電引力Ｆ1は、
次式のように電極間に貯えられる静電エネルギーＥ1を
変位ｘで微分して求めることができる。 一方、バイアスばね３１５の復元力Ｆｒは次式で与えら
れる。 ここで、ｋはバイアスバネ３１５のバネ定数である。変
位ｘと静電引力Ｆ1の関係を図１０の実線で、復元力Ｆ
ｒを点線で示す。Ｖ＝Ｖ1のとき、ＦａとＦｒはｘがｘA
のときとｘBの時に等しくなる。ｘ＝ｘAにおいてｘが減
少する向きに変位したとすると、ＦａがＦｒよりも強く
なりｘを増加させる向きに力が働く。逆に、ｘが増加す
る向きに変位したとすると、ＦｒがＦａよりも強くなり
ｘを減少させる方向に力が働く。すなわち、ｘ＝ｘAに
おいては、変化した向きとは逆向きの復元力が働くの
で、ｘ＝ｘAは安定な平衡点といえる。一方、ｘ＝ｘBの
ときには、変化した向きと同じ方向に力が働くので、こ
の点は安定な点ではないことがわかる。つまり、Ｖ＝Ｖ
1のときのアクチュエータの安定な平衡点はｘ＝ｘAであ
る。Ｖ＝Ｖ2のときＦａとＦｒはｘ＝ｄ0／３の１点で接
する。このときの電圧Ｖ2を崩れ電圧といい、以下Ｖｃ
で表す。Ｖ＝Ｖ3においては、ＦａとＦｒは等しくなる
点は存在せず、常に静電引力Ｆａの方が強くなる。この
状態になるとアクチュエータは変位ｘがｄ0と等しくな
る。 電圧Ｖとアクチュエータの変位ｘの関係を図１１
に示す。電圧Ｖを上げてゆくと、アクチュエータの変位
ｘは増加してゆき、Ｖが崩れ電圧Ｖｃに達するとｘが一
気にｄ0まで増加することがわかる。この現象を利用し
てアクチュエータをデジタル的に変位させる技術も公知
である（特開平４−２３０７２３号公報）。しかし、連
続的な変位が必要な場合には、ＶはＶｃ未満の範囲で使
用しなければならず、最大変位は初期ギャップｄ0の１
／３以下に制限される。つまり、変位を大きくするため
には、初期ギャップｄ0を大きくしなければならない。
しかし、駆動電圧Ｖが同じだとすると、平行平板対向型
アクチュエータの発生力Ｆ1は電極間ギャップの二乗に
逆比例して発生力が小さくなってしまうという問題点が
ある。また、崩れ電圧Ｖｃ近傍ではアクチュエータの挙
動が不安定で制御が難しいので、アクチュエータを安定
に用いる為には、変位は電極間ギャップｄ0の１／３よ
りもさらに小さくしなければならない。例えば、特開昭
６２−２８１１３８で開示された例においては、片持ち
梁の長さが１００μｍ、電極間距離が６μｍのプローブ
の最大変位が０．２μｍとなっており、最大変位は初期
ギャップの３．３％にすぎない。
【０００５】このような平行平板対向型アクチュエータ
の問題点を鑑みて、変位が大きく、制御性のよいアクチ
ュエータを得るために、固定電極と可動電極を櫛形にし
て噛み合うように動作させるタイプのアクチュエータも
知られている。このタイプのアクチュエータを以下くし
形電極噛み合い型アクチュエータと称する。くし形電極
噛み合い型アクチュエータの概念図を図１２に示す。図
１２において、６０６は可動電極、６０３は固定電極、
６１５はバイアスばねである。６０６の可動電極と６０
３の固定電極はくし形状を有しており、それぞれの歯が
互い違いに噛み合うように配置されている。６０６の可
動電極と６０３の固定電極の間の静電容量Ｃ2は以下の
式で表せられる。 ここで、ｎはギャップの数、ｔはくしの歯の厚さ、ｇは
電極間ギャップ、ｂは初期時の電極が重なった部分の長
さである。平行平板対向型アクチュエータと同様に、静
電エネルギーＥ2を変位ｘで微分すると、静電引力Ｆ2を
求めることができる。 静電引力Ｆ2とバイアスばね６１５の復元力Ｆｒ＝−ｋ
ｘが釣り合う条件からアクチュエータの変位ｘは次式で
与えられる。 くし形電極噛み合い型アクチュエータの駆動電圧Ｖと変
位ｘの関係を図１３に示す。変位ｘが駆動電圧の２乗に
比例し、崩れ電圧が存在しないことがわかる。また式か
らわかるように、くし形電極噛み合い型アクチュエータ
の発生力はくし形電極のギャップのアスペクト比ｔ／ｇ
に比例する。しかし、アスペクト比が大きな構造を作成
することは一般には困難で、通常の半導体プロセスを用
いた場合アスペクト比は高々１〜２程度である。そのた
め、従来は平行平板対向型に比べて大きな発生力を得る
ことが難しいという問題点があった。例えば、（Ｐ．Ｃ
ｈｅｕｎｇ，ｅｔａｌ，”Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ−ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐ
ｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ ｌｉｎｅｒ ｍｉｃｒｏａｃｔ
ｕａｔｏｒ，”ＤＳＣ−Ｖｏｌ．３２，Ｍｉｃｒｏｍｅ
ｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓ，Ａｃｔｕａｔｏｒ
ｓ，ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＡＳＭＥ １９９１）に
おいては、ｔ＝２μｍ、ｇ＝１．５μｍ、ｎ＝１２０で
あり、アスペクト比は１．３、Ｖ＝３０Ｖの時の発生力
Ｆ2は６．４×ｌ０-7Ｎである。この値は平行平板対向
型アクチュエータにおいて１００μｍ角の電極が１．５
μｍのギャップを持つときの発生力Ｆ1＝１．８×１０
-7Ｎと比較すると１／２８程度である。小さな発生力で
大きな変位を得るためにはバイアスばねのばね定数ｋを
下げる必要があるが、バイアスばねのばね定数ｋを下げ
ることは系の共振周波数が下がることにつながるので一
般には望ましくない。以上のように、平行平板対向型の
アクチュエータには、変位が小さく、制御性が悪いとい
う問題点があり、くし形電極噛み合い型アクチュエータ
は、前記平行平板対向型のアクチュエータにおける変位
が小さく、制御性が悪いという問題点を回避できるもの
の、発生力が小さいという問題点を持っている。
の問題点を鑑みて、変位が大きく、制御性のよいアクチ
ュエータを得るために、固定電極と可動電極を櫛形にし
て噛み合うように動作させるタイプのアクチュエータも
知られている。このタイプのアクチュエータを以下くし
形電極噛み合い型アクチュエータと称する。くし形電極
噛み合い型アクチュエータの概念図を図１２に示す。図
１２において、６０６は可動電極、６０３は固定電極、
６１５はバイアスばねである。６０６の可動電極と６０
３の固定電極はくし形状を有しており、それぞれの歯が
互い違いに噛み合うように配置されている。６０６の可
動電極と６０３の固定電極の間の静電容量Ｃ2は以下の
式で表せられる。 ここで、ｎはギャップの数、ｔはくしの歯の厚さ、ｇは
電極間ギャップ、ｂは初期時の電極が重なった部分の長
さである。平行平板対向型アクチュエータと同様に、静
電エネルギーＥ2を変位ｘで微分すると、静電引力Ｆ2を
求めることができる。 静電引力Ｆ2とバイアスばね６１５の復元力Ｆｒ＝−ｋ
ｘが釣り合う条件からアクチュエータの変位ｘは次式で
与えられる。 くし形電極噛み合い型アクチュエータの駆動電圧Ｖと変
位ｘの関係を図１３に示す。変位ｘが駆動電圧の２乗に
比例し、崩れ電圧が存在しないことがわかる。また式か
らわかるように、くし形電極噛み合い型アクチュエータ
の発生力はくし形電極のギャップのアスペクト比ｔ／ｇ
に比例する。しかし、アスペクト比が大きな構造を作成
することは一般には困難で、通常の半導体プロセスを用
いた場合アスペクト比は高々１〜２程度である。そのた
め、従来は平行平板対向型に比べて大きな発生力を得る
ことが難しいという問題点があった。例えば、（Ｐ．Ｃ
ｈｅｕｎｇ，ｅｔａｌ，”Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ−ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐ
ｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ ｌｉｎｅｒ ｍｉｃｒｏａｃｔ
ｕａｔｏｒ，”ＤＳＣ−Ｖｏｌ．３２，Ｍｉｃｒｏｍｅ
ｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓ，Ａｃｔｕａｔｏｒ
ｓ，ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＡＳＭＥ １９９１）に
おいては、ｔ＝２μｍ、ｇ＝１．５μｍ、ｎ＝１２０で
あり、アスペクト比は１．３、Ｖ＝３０Ｖの時の発生力
Ｆ2は６．４×ｌ０-7Ｎである。この値は平行平板対向
型アクチュエータにおいて１００μｍ角の電極が１．５
μｍのギャップを持つときの発生力Ｆ1＝１．８×１０
-7Ｎと比較すると１／２８程度である。小さな発生力で
大きな変位を得るためにはバイアスばねのばね定数ｋを
下げる必要があるが、バイアスばねのばね定数ｋを下げ
ることは系の共振周波数が下がることにつながるので一
般には望ましくない。以上のように、平行平板対向型の
アクチュエータには、変位が小さく、制御性が悪いとい
う問題点があり、くし形電極噛み合い型アクチュエータ
は、前記平行平板対向型のアクチュエータにおける変位
が小さく、制御性が悪いという問題点を回避できるもの
の、発生力が小さいという問題点を持っている。
【０００６】そこで、本発明は、上記従来技術が有する
課題を解決するため、従来の静電アクチュエータに比較
して変位が大きく、制御性が良好で、発生力が大きい静
電アクチュエータと、その静電アクチュエータを用いた
静電駆動プローブと、その静電駆動プローブを用いた走
査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡等の走査型プロー
ブ顕微鏡及びそれらを用いた加工装置、記録再生装置を
提供することを目的とする。
課題を解決するため、従来の静電アクチュエータに比較
して変位が大きく、制御性が良好で、発生力が大きい静
電アクチュエータと、その静電アクチュエータを用いた
静電駆動プローブと、その静電駆動プローブを用いた走
査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡等の走査型プロー
ブ顕微鏡及びそれらを用いた加工装置、記録再生装置を
提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、静電アクチュエータ及び、該アクチュエータ
を用いたプローブ、走査型プローブ顕微鏡、加工装置、
記録再生装置について、つぎのように構成したものであ
る。すなわち、本発明の静電アクチュェータは、基板上
に空隙を介して配置された可動平板と、該可動平板を回
転自在に支持する２つのトーションバーと、該可動平板
上に設けられている可動電極と、該可動電極に対向して
該基板上に設けられている固定電極とを有する静電アク
チュエータであって、前記可動電極を前記固定電極に対
して、前記可動電極の駆動方向に投影した際に、重なる
部分が無いように配置されていることを特徴としてい
る。また、、本発明の静電アクチュェータは、基板上に
空隙を介して配置された可動平板と、該可動平板を回転
自在に支持する２つのトーションバーと、該可動平板上
に設けられている可動電極と、該可動電極に対向して該
基板上に設けられている固定電極とを有する静電アクチ
ュエータであって、前記可動電極と前記固定電極の形状
がくし形状であって、前記可動電極を前記固定電極に対
して、前記可動電極の駆動方向に投影した際に、くしの
歯が互い違いになって重なる部分が無いように配置され
ていることを特徴としている。そして、本発明の静電ア
クチュエータにおいては、前記可動電極と前記固定電極
のくし形状のくしの歯の間隔ｗと前記可動電極と前記固
定電極の空隙の長さｄ0が、ｄ0＜ｗの関係にあることを
特徴としている。また、本発明においては、上記した静
電アクチュエータを用い、静電アクチュエータの前記平
板部の一端にティップを設けて走査型プローブ顕微鏡用
の静電駆動プローブを構成することができる。また、本
発明においては、上記した静電駆動プローブを用い、こ
の静電駆動プローブと、前記静電駆動プローブの前記可
動電極と前記固定電極の間に印加する電圧を制御する駆
動制御部と、前記静電駆動プローブと観察すべき試料の
相対位置を変化させる走査装置と、前記試料の表面情報
を処理する信号処理部とを備えたた走査型プローブ顕微
鏡を構成することができる。また、本発明においては、
上記した静電駆動プローブを用い、この静電駆動プロー
ブと、前記静電駆動プローブの前記可動電極と前記固定
電極の間に印加する電圧を制御する駆動制御部と、前記
静電駆動プローブと加工すべき試料の相対位置を変化さ
せる走査装置と、前記試料の表面情報を処理する信号処
理部とを備えた加工装置を構成することができる。ま
た、本発明においては、上記した静電駆動プローブを用
い、この静電駆動プローブと、前記静電駆動プローブの
駆動を制御し、記録媒体上に信号を記録もしくは再生す
る手段を有する記録再生回路を備えた記録再生装置を構
成することができる。
するため、静電アクチュエータ及び、該アクチュエータ
を用いたプローブ、走査型プローブ顕微鏡、加工装置、
記録再生装置について、つぎのように構成したものであ
る。すなわち、本発明の静電アクチュェータは、基板上
に空隙を介して配置された可動平板と、該可動平板を回
転自在に支持する２つのトーションバーと、該可動平板
上に設けられている可動電極と、該可動電極に対向して
該基板上に設けられている固定電極とを有する静電アク
チュエータであって、前記可動電極を前記固定電極に対
して、前記可動電極の駆動方向に投影した際に、重なる
部分が無いように配置されていることを特徴としてい
る。また、、本発明の静電アクチュェータは、基板上に
空隙を介して配置された可動平板と、該可動平板を回転
自在に支持する２つのトーションバーと、該可動平板上
に設けられている可動電極と、該可動電極に対向して該
基板上に設けられている固定電極とを有する静電アクチ
ュエータであって、前記可動電極と前記固定電極の形状
がくし形状であって、前記可動電極を前記固定電極に対
して、前記可動電極の駆動方向に投影した際に、くしの
歯が互い違いになって重なる部分が無いように配置され
ていることを特徴としている。そして、本発明の静電ア
クチュエータにおいては、前記可動電極と前記固定電極
のくし形状のくしの歯の間隔ｗと前記可動電極と前記固
定電極の空隙の長さｄ0が、ｄ0＜ｗの関係にあることを
特徴としている。また、本発明においては、上記した静
電アクチュエータを用い、静電アクチュエータの前記平
板部の一端にティップを設けて走査型プローブ顕微鏡用
の静電駆動プローブを構成することができる。また、本
発明においては、上記した静電駆動プローブを用い、こ
の静電駆動プローブと、前記静電駆動プローブの前記可
動電極と前記固定電極の間に印加する電圧を制御する駆
動制御部と、前記静電駆動プローブと観察すべき試料の
相対位置を変化させる走査装置と、前記試料の表面情報
を処理する信号処理部とを備えたた走査型プローブ顕微
鏡を構成することができる。また、本発明においては、
上記した静電駆動プローブを用い、この静電駆動プロー
ブと、前記静電駆動プローブの前記可動電極と前記固定
電極の間に印加する電圧を制御する駆動制御部と、前記
静電駆動プローブと加工すべき試料の相対位置を変化さ
せる走査装置と、前記試料の表面情報を処理する信号処
理部とを備えた加工装置を構成することができる。ま
た、本発明においては、上記した静電駆動プローブを用
い、この静電駆動プローブと、前記静電駆動プローブの
駆動を制御し、記録媒体上に信号を記録もしくは再生す
る手段を有する記録再生回路を備えた記録再生装置を構
成することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明は、上記した構成により本
発明の上記課題を達成することができるものであるが、
その内容をつぎに図面に基づいて説明する。
発明の上記課題を達成することができるものであるが、
その内容をつぎに図面に基づいて説明する。
【０００９】図５は、本発明のアクチュエータの概念図
を示すものである。７０１は基板、７０３は固定電極、
７０６は平板部、７０７は可動電極、７１５はバイアス
ばねである。固定電極７０３と可動電極７０７は互い違
いに配置されていて、固定電極７０３に対して可動電極
７０７を駆動方向に投影した際に重なる部分が無いよう
に配置されている。従来の平行平板対向型やくし形電極
噛み合い型と同様に、固定電極７０３と可動電極７０７
の間に印加する駆動電圧を変化させることで変位を制御
する。
を示すものである。７０１は基板、７０３は固定電極、
７０６は平板部、７０７は可動電極、７１５はバイアス
ばねである。固定電極７０３と可動電極７０７は互い違
いに配置されていて、固定電極７０３に対して可動電極
７０７を駆動方向に投影した際に重なる部分が無いよう
に配置されている。従来の平行平板対向型やくし形電極
噛み合い型と同様に、固定電極７０３と可動電極７０７
の間に印加する駆動電圧を変化させることで変位を制御
する。
【００１０】つぎに、本発明のアクチュエータの発生力
について説明する。固定電極７０３と可動電極７０７の
間に働く静電引力Ｆは、平行平板対向型やくし形電極噛
み合い型と同様に、電極間に貯えられる静電エネルギー
Ｅを変位ｘで微分して求めることができる。以下にこの
関係を示す。 本発明のアクチュエータの電極間の静電容量Ｃは、従来
の平行平板対向型やくし形電極噛み合い型と異なり、単
純な式で表現することが困難なので、本発明者は有限要
素法を用いて電極間距離（ｄ0−ｘ）を変化させたとき
の静電容量Ｃを計算した。図６に、電極間距離（ｄ0−
ｘ）と静電容量Ｃの関係を示す。図６の横軸は本発明の
アクチュエータの電極間距離（ｄ0−ｘ）をくし歯の間
隔Ｗで無次元化したもので、縦軸はくし歯一つあたりの
電極間の静電容量Ｃをプロットしたものを実線で示し、
同じ電極面積を持つ平行平板対向型アクチュエータの静
電容量を点線で示す。さらに、図７にｄＣ／ｄｘのプロ
ットを示す。ｄＣ／ｄｘがわかれば上式より静電引力Ｆ
を計算することは容易である。
について説明する。固定電極７０３と可動電極７０７の
間に働く静電引力Ｆは、平行平板対向型やくし形電極噛
み合い型と同様に、電極間に貯えられる静電エネルギー
Ｅを変位ｘで微分して求めることができる。以下にこの
関係を示す。 本発明のアクチュエータの電極間の静電容量Ｃは、従来
の平行平板対向型やくし形電極噛み合い型と異なり、単
純な式で表現することが困難なので、本発明者は有限要
素法を用いて電極間距離（ｄ0−ｘ）を変化させたとき
の静電容量Ｃを計算した。図６に、電極間距離（ｄ0−
ｘ）と静電容量Ｃの関係を示す。図６の横軸は本発明の
アクチュエータの電極間距離（ｄ0−ｘ）をくし歯の間
隔Ｗで無次元化したもので、縦軸はくし歯一つあたりの
電極間の静電容量Ｃをプロットしたものを実線で示し、
同じ電極面積を持つ平行平板対向型アクチュエータの静
電容量を点線で示す。さらに、図７にｄＣ／ｄｘのプロ
ットを示す。ｄＣ／ｄｘがわかれば上式より静電引力Ｆ
を計算することは容易である。
【００１１】つぎに、本発明のアクチュエータの変位に
ついて説明する。本発明のアクチュエータの変位ｘは、
従来例で説明した平行平板対向型やくし形電極噛み合い
型と同様に、静電引力Ｆとバイアスばねの復元力の釣り
合う点として求められる。駆動電圧Ｖと変位ｘの関係
は、初期ギャップのｄ0の大きさに応じて図８に示す３
つのパターンが考えられる。図８のグラフは、横軸を駆
動電圧Ｖの平方根に、縦軸を変位ｘに取ったグラフであ
る。まず、ｄ0が十分小さいときには、図８の（Ａ）の
ように、駆動電圧Ｖが増加すると、アクチュエータの変
位ｘは単調に増加する。次にｄ0がある値になると、図
８の（Ｂ）のように、Ａ点で駆動電圧Ｖに対する変位ｘ
の曲線の傾きが無限大となる。このときの初期ギャップ
を以下臨界ギャップと称し、ｄｃで表す。初期ギャップ
ｄ0がｄｃを上回ると、（Ｃ）に示すように、ある範囲
で連続的に変位させることができなくなる。
ついて説明する。本発明のアクチュエータの変位ｘは、
従来例で説明した平行平板対向型やくし形電極噛み合い
型と同様に、静電引力Ｆとバイアスばねの復元力の釣り
合う点として求められる。駆動電圧Ｖと変位ｘの関係
は、初期ギャップのｄ0の大きさに応じて図８に示す３
つのパターンが考えられる。図８のグラフは、横軸を駆
動電圧Ｖの平方根に、縦軸を変位ｘに取ったグラフであ
る。まず、ｄ0が十分小さいときには、図８の（Ａ）の
ように、駆動電圧Ｖが増加すると、アクチュエータの変
位ｘは単調に増加する。次にｄ0がある値になると、図
８の（Ｂ）のように、Ａ点で駆動電圧Ｖに対する変位ｘ
の曲線の傾きが無限大となる。このときの初期ギャップ
を以下臨界ギャップと称し、ｄｃで表す。初期ギャップ
ｄ0がｄｃを上回ると、（Ｃ）に示すように、ある範囲
で連続的に変位させることができなくなる。
【００１２】つぎに、連続的な変位の条件について説明
する。図８の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のいずれのパター
ンにおいても、平行平板対向型のような可動電極と固定
電極が衝突する崩れ電圧は生じないことがわかる。しか
し、アクチュエータの変位の全域にわたって連続的に制
御を行う必要があるときには（Ａ）のパターンでなけれ
ばならないことは明らかで、そのために初期ギャップｄ
0は臨界ギャップｄｃよりも小さくなければならない。
本発明者は鋭意研究の結果、有限要素法を用いた解析を
用いて臨界ギャップｄｃはくし歯の間隔ｗと等しいこと
を見出した。そこで変位の全域にわたって連続的に制御
を行うことができる条件は次式で与えられる。 上式の範囲内であれば、従来の平行平板対向型のアクチ
ュエータが電極間ギャップｄ0の１／３の範囲内でしか
変位を連続的に変化させることができなかったのに対
し、本発明のアクチュエータでは電極間ギャップｄ0の
１／３以上の変位においても連続的に変位させることが
できる。本発明のアクチュエータ最大変位を制限するも
のは、崩れ電圧ではなく、電源電圧の上限もしくは電極
間の放電限界電圧である。
する。図８の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のいずれのパター
ンにおいても、平行平板対向型のような可動電極と固定
電極が衝突する崩れ電圧は生じないことがわかる。しか
し、アクチュエータの変位の全域にわたって連続的に制
御を行う必要があるときには（Ａ）のパターンでなけれ
ばならないことは明らかで、そのために初期ギャップｄ
0は臨界ギャップｄｃよりも小さくなければならない。
本発明者は鋭意研究の結果、有限要素法を用いた解析を
用いて臨界ギャップｄｃはくし歯の間隔ｗと等しいこと
を見出した。そこで変位の全域にわたって連続的に制御
を行うことができる条件は次式で与えられる。 上式の範囲内であれば、従来の平行平板対向型のアクチ
ュエータが電極間ギャップｄ0の１／３の範囲内でしか
変位を連続的に変化させることができなかったのに対
し、本発明のアクチュエータでは電極間ギャップｄ0の
１／３以上の変位においても連続的に変位させることが
できる。本発明のアクチュエータ最大変位を制限するも
のは、崩れ電圧ではなく、電源電圧の上限もしくは電極
間の放電限界電圧である。
【００１３】本発明においては、上記のような連続的な
変位の条件を満たすことにより、アクチュエータの制御
に優れ、アクチュエータの作成の容易性を実現すること
ができる。すなわち、、本発明のアクチュエータはｄ0
＜ｗを満たせば変位が不安定な点が存在しないので、崩
れ電圧の近傍で変位が不安定になる平行平板対向型アク
チュエータに比べて制御性に優れる。また、本発明のく
し形電極対向型アクチュエータの可動電極と固定電極は
平面プロセスで作成することができる。そのため、発生
力を大きくするために、くしの歯を増やしたり、くしの
歯を長くしたりすることは比較的容易である。従来のく
し歯電極噛み合い型アクチュエータに比べて比較的容易
に大きな発生力を持つアクチュエータを作成することが
できる。
変位の条件を満たすことにより、アクチュエータの制御
に優れ、アクチュエータの作成の容易性を実現すること
ができる。すなわち、、本発明のアクチュエータはｄ0
＜ｗを満たせば変位が不安定な点が存在しないので、崩
れ電圧の近傍で変位が不安定になる平行平板対向型アク
チュエータに比べて制御性に優れる。また、本発明のく
し形電極対向型アクチュエータの可動電極と固定電極は
平面プロセスで作成することができる。そのため、発生
力を大きくするために、くしの歯を増やしたり、くしの
歯を長くしたりすることは比較的容易である。従来のく
し歯電極噛み合い型アクチュエータに比べて比較的容易
に大きな発生力を持つアクチュエータを作成することが
できる。
【００１４】
【実施例】以下に本発明の実施例について説明する。 ［実施例１］本実施例の静電駆動型ＳＴＭ装置につい
て、図を用いて説明する。図１は本実施例の静電駆動プ
ローブユニットの斜視図、図２は図１の静電駆動プロー
ブユニットの断面図と制御回路の概略を示したものであ
る。絶縁性の基板１０１上には固定電極１０３が形成さ
れ、その上に空隙部１０４を介して平板部１０７が形成
されている。平板部１０７は、回転支持を行うトーショ
ンバー１０８によって支持部１０９に支持されている。
その平板部１０７上の一方の端にはトンネル電流検出用
の導電性ティップ１０５が配置され、導電性薄膜で形成
された可動電極１０６が固定電極１０３と対向する位置
にトーションバー１０８を挟んで平板部の反対側に配置
されている。１１０〜１１２の配線はそれぞれ、可動電
極駆動電圧信号線、固定電極駆動電圧信号線、そしてト
ンネル電流検出信号線である。固定電極１０３と可動電
極１０６は相補的なくし歯形状になっており、互いの投
影面は共通部分を持たない。可動電極１０６は可動電極
駆動電圧信号線１１０を介してグランドにバイアスされ
ている。１２０は観察試料を示しており、本実施例では
グランドにバイアスされている。測定バイアス印加回路
はティップ１０５に測定バイアスを印加する。Ｉ−Ｖ変
換回路１２３は、ティップ１０５によって検出されてト
ンネル電流信号線１１２を介して入力されたトンネル電
流を、電圧信号に変換する。その信号はＺ方向位置制御
回路１２２に伝えられ、Ｚ方向位置制御回路１２２はそ
れを受けて固定電極駆動電圧信号線ｌ１１を介して固定
電極１０３に印加する電圧を生成する。データ等生成回
路１２４は画像や情報を得るためのデータを生成する。
て、図を用いて説明する。図１は本実施例の静電駆動プ
ローブユニットの斜視図、図２は図１の静電駆動プロー
ブユニットの断面図と制御回路の概略を示したものであ
る。絶縁性の基板１０１上には固定電極１０３が形成さ
れ、その上に空隙部１０４を介して平板部１０７が形成
されている。平板部１０７は、回転支持を行うトーショ
ンバー１０８によって支持部１０９に支持されている。
その平板部１０７上の一方の端にはトンネル電流検出用
の導電性ティップ１０５が配置され、導電性薄膜で形成
された可動電極１０６が固定電極１０３と対向する位置
にトーションバー１０８を挟んで平板部の反対側に配置
されている。１１０〜１１２の配線はそれぞれ、可動電
極駆動電圧信号線、固定電極駆動電圧信号線、そしてト
ンネル電流検出信号線である。固定電極１０３と可動電
極１０６は相補的なくし歯形状になっており、互いの投
影面は共通部分を持たない。可動電極１０６は可動電極
駆動電圧信号線１１０を介してグランドにバイアスされ
ている。１２０は観察試料を示しており、本実施例では
グランドにバイアスされている。測定バイアス印加回路
はティップ１０５に測定バイアスを印加する。Ｉ−Ｖ変
換回路１２３は、ティップ１０５によって検出されてト
ンネル電流信号線１１２を介して入力されたトンネル電
流を、電圧信号に変換する。その信号はＺ方向位置制御
回路１２２に伝えられ、Ｚ方向位置制御回路１２２はそ
れを受けて固定電極駆動電圧信号線ｌ１１を介して固定
電極１０３に印加する電圧を生成する。データ等生成回
路１２４は画像や情報を得るためのデータを生成する。
【００１５】つぎに、本実施例におけるＳＴＭ測定動作
について説明する。まず、本実施例でのトンネル電流が
一定になるようにティップ・試料間距離を制御する場合
（トンネル電流一定モード）について説明する。ティッ
プ１０５には、測定バイアス印加回路１２５によって試
料基板１２０に対して所定量の測定バイアス電圧が印加
されている。ティップ１０５と試料基板１２０が接近装
置（不図示）によって接近させられると、ある距離以内
で両者の間にトンネル電流が流れはじめる。このトンネ
ル電流信号はＩ−Ｖ変換回路１２３によって電圧信号に
変換されＺ方向位置制御回路１２２に送られる。このト
ンネル電流信号はティップ１０５と試料基板１２０との
距離制御に用いられる。本実施例ではＺ方向位置制御回
路１２２はトンネル電流が一定になるように駆動電圧制
御回路１２１に制御電圧データを送り、駆動電圧制御回
路１２１はその値から固定電極１０３に印加する電圧を
算出し、算出した電圧を固定電極駆動電圧信号線１１１
を介して印加する。このような手続きによってフィード
バックループが構成され、トンネル電流一定制御が実現
される。
について説明する。まず、本実施例でのトンネル電流が
一定になるようにティップ・試料間距離を制御する場合
（トンネル電流一定モード）について説明する。ティッ
プ１０５には、測定バイアス印加回路１２５によって試
料基板１２０に対して所定量の測定バイアス電圧が印加
されている。ティップ１０５と試料基板１２０が接近装
置（不図示）によって接近させられると、ある距離以内
で両者の間にトンネル電流が流れはじめる。このトンネ
ル電流信号はＩ−Ｖ変換回路１２３によって電圧信号に
変換されＺ方向位置制御回路１２２に送られる。このト
ンネル電流信号はティップ１０５と試料基板１２０との
距離制御に用いられる。本実施例ではＺ方向位置制御回
路１２２はトンネル電流が一定になるように駆動電圧制
御回路１２１に制御電圧データを送り、駆動電圧制御回
路１２１はその値から固定電極１０３に印加する電圧を
算出し、算出した電圧を固定電極駆動電圧信号線１１１
を介して印加する。このような手続きによってフィード
バックループが構成され、トンネル電流一定制御が実現
される。
【００１６】つぎに、表面観察像を得るためにティップ
１０５と試料基板１２０とを試料面と平行な方向（Ｘ、
Ｙ方向）に相対移動させる。これを以下ＸＹ走査と呼
ぶ。なお、このＸＹ走査機構に関しては図示していな
い。このＸＹ走査によって得られたトンネル電流信号は
データ等生成回路１２４に送られ、ＸＹ走査によって得
られたトンネル電流信号（カレント信号）またはそのそ
のトンネル電流信号による制御信号（トポグラフィック
信号）は、ＣＲＴ等のモニタ（不図示）上のＸ−Ｙ座標
に対応する位置に、それらの信号の大きさに応じて輝度
や色信号などによって出力されることで試料表面を画像
として観察することができるようになっている。
１０５と試料基板１２０とを試料面と平行な方向（Ｘ、
Ｙ方向）に相対移動させる。これを以下ＸＹ走査と呼
ぶ。なお、このＸＹ走査機構に関しては図示していな
い。このＸＹ走査によって得られたトンネル電流信号は
データ等生成回路１２４に送られ、ＸＹ走査によって得
られたトンネル電流信号（カレント信号）またはそのそ
のトンネル電流信号による制御信号（トポグラフィック
信号）は、ＣＲＴ等のモニタ（不図示）上のＸ−Ｙ座標
に対応する位置に、それらの信号の大きさに応じて輝度
や色信号などによって出力されることで試料表面を画像
として観察することができるようになっている。
【００１７】つぎに、各々の電極の働きについて説明す
る。ティップ１０５と試料基板１２０の間に流れるトン
ネル電流が目標とする電流値よりも小さい、すなわち両
者の間隔が遠すぎる場合には駆動電圧制御回路１２１か
ら固定電極１０３に印加する電圧を増加させる。する
と、固定電極１０３と可動電極１０６が引き寄せられる
方向に動くので、シーソーのようにティップ１０５は試
料基板１２０に近づくことになる。反対にティップ１０
５と試料基板１２０の間に流れるトンネル電流が目標と
する電流値よりも大きい、すなわち両者の間隔が近すぎ
る場合には駆動電圧制御回路１２１から固定電極１０３
に印加する電圧を減少させる。これによりティップ１０
５と試料基板１２０は離れることになる。また、Ｚ方向
位置制御回路１２２による制御電圧の算出方法はデジタ
ルによるＰＩＤ制御手段（不図示）を用いて行う。具体
的には、トンネル電流信号からＩ−Ｖ変換回路１２３に
よって検出された電圧値をデジタル値に変換し、デジタ
ル演算回路によってＰＩＤ制御手段の制御出力を算出す
る。ＰＩＤ制御手段の各ゲインを適当に調整することに
より、フィードバック制御を安定に維持することができ
る。
る。ティップ１０５と試料基板１２０の間に流れるトン
ネル電流が目標とする電流値よりも小さい、すなわち両
者の間隔が遠すぎる場合には駆動電圧制御回路１２１か
ら固定電極１０３に印加する電圧を増加させる。する
と、固定電極１０３と可動電極１０６が引き寄せられる
方向に動くので、シーソーのようにティップ１０５は試
料基板１２０に近づくことになる。反対にティップ１０
５と試料基板１２０の間に流れるトンネル電流が目標と
する電流値よりも大きい、すなわち両者の間隔が近すぎ
る場合には駆動電圧制御回路１２１から固定電極１０３
に印加する電圧を減少させる。これによりティップ１０
５と試料基板１２０は離れることになる。また、Ｚ方向
位置制御回路１２２による制御電圧の算出方法はデジタ
ルによるＰＩＤ制御手段（不図示）を用いて行う。具体
的には、トンネル電流信号からＩ−Ｖ変換回路１２３に
よって検出された電圧値をデジタル値に変換し、デジタ
ル演算回路によってＰＩＤ制御手段の制御出力を算出す
る。ＰＩＤ制御手段の各ゲインを適当に調整することに
より、フィードバック制御を安定に維持することができ
る。
【００１８】本実施例において、平板部１０７の幅は９
０μｍとした。くし形状の可動電極１０６のくしの歯の
間隔は１０μｍとし、８本の歯を有するくし形状とし
た。固定電極１０３は９本のくし歯を持つ形状とし、基
板に垂直な方向から見たときに、可動電極１０７のくし
歯と固定電極１０３のくし歯が互い違いに見えるように
配置した。可動電極１０６と固定電極１０３の間隔は６
μｍとした。可動電極１０６のトーションバー１０８か
ら最も遠い部位の最大変位を３μｍと設定した。この最
大変位のとき、電極間距離３μｍとくしの歯の間隔１０
μｍの比は０．３である。アクチュエータが最大変位し
たときの、テイップ１０５の変位は４μｍになるように
平板部のてこ比を設定した。つまり、テイップの変位は
±２μｍである。
０μｍとした。くし形状の可動電極１０６のくしの歯の
間隔は１０μｍとし、８本の歯を有するくし形状とし
た。固定電極１０３は９本のくし歯を持つ形状とし、基
板に垂直な方向から見たときに、可動電極１０７のくし
歯と固定電極１０３のくし歯が互い違いに見えるように
配置した。可動電極１０６と固定電極１０３の間隔は６
μｍとした。可動電極１０６のトーションバー１０８か
ら最も遠い部位の最大変位を３μｍと設定した。この最
大変位のとき、電極間距離３μｍとくしの歯の間隔１０
μｍの比は０．３である。アクチュエータが最大変位し
たときの、テイップ１０５の変位は４μｍになるように
平板部のてこ比を設定した。つまり、テイップの変位は
±２μｍである。
【００１９】実際にＡｕの抵抗加熱による蒸着によって
成膜した薄膜表面を、本発明のＳＴＭで観察し、従来型
の平行平板対向型トーション型機構による観察結果と比
較する。この試料の凹凸は基板全体で数μｍ程度である
と考えられる。従来型の機構を有するＳＴＭは、変位範
囲が±ｌμｍと小さく、試料の凹みが大きい部分ではテ
イップがその凹みの底まで届かないためトンネル電流が
全く観測できない領域や、反対に凸状態の大きいところ
ではティップが持ち上がらずに試料表面に接触し、トン
ネル電流の飽和してしまう領域が各所に見られた。しか
し、本発明を用いた観察装置では、変位範囲が±２μｍ
となったため、トンネル電流の飽和や電流ゼロの領城が
なくなった。なお、本実施例で用いた回路は一例として
示したものであってこれに限定されるものではなく、た
とえば全体をアナログで制御することも可能であること
はいうまでもない。
成膜した薄膜表面を、本発明のＳＴＭで観察し、従来型
の平行平板対向型トーション型機構による観察結果と比
較する。この試料の凹凸は基板全体で数μｍ程度である
と考えられる。従来型の機構を有するＳＴＭは、変位範
囲が±ｌμｍと小さく、試料の凹みが大きい部分ではテ
イップがその凹みの底まで届かないためトンネル電流が
全く観測できない領域や、反対に凸状態の大きいところ
ではティップが持ち上がらずに試料表面に接触し、トン
ネル電流の飽和してしまう領域が各所に見られた。しか
し、本発明を用いた観察装置では、変位範囲が±２μｍ
となったため、トンネル電流の飽和や電流ゼロの領城が
なくなった。なお、本実施例で用いた回路は一例として
示したものであってこれに限定されるものではなく、た
とえば全体をアナログで制御することも可能であること
はいうまでもない。
【００２０】［実施例２］本実施例では本発明のＡＦＭ
／ＳＴＭ装置を図を用いて説明する。図３は本実施例の
レバー機構の断面図と制御回路の概略を示したものであ
る。２０１〜２１５は実施例１の１０１〜１１５に対応
している。実施例１と異なる点は、ＡＦＭ装置として使
用するための静電容量検出ユニット２１６が設けられて
いる点である。まず、この装置は実施例１に示したのと
同様な方法で静電駆動型ＳＴＭ装置として使用すること
ができる。つぎに、この装置を静電容量型ＡＦＭ装置と
して使用する場合の方法を説明する。試料２２０とティ
ップ２０５とが一定の弱い圧力で接した状態で基板２０
１と試料２２０との距離が変化しないように、不図示の
距離（Ｚ方向）制御機構によって固定し、基板２０１を
試料面に対して平行にＸＹ走査する。この時、テイップ
２０５は試料２２０表面の凹凸に従ってＺ方向に上下す
ることになるので、固定電極２０３と可動電極２０６間
の距離が変わり、固定電極２０３と可動電極２０６間の
静電容量が変化する。この静電容量変化を静電容量検出
ユニット２２６で検出し、前記ＸＹ走査した位置に合わ
せてプロットすることにより、試料の表面形状とする。
／ＳＴＭ装置を図を用いて説明する。図３は本実施例の
レバー機構の断面図と制御回路の概略を示したものであ
る。２０１〜２１５は実施例１の１０１〜１１５に対応
している。実施例１と異なる点は、ＡＦＭ装置として使
用するための静電容量検出ユニット２１６が設けられて
いる点である。まず、この装置は実施例１に示したのと
同様な方法で静電駆動型ＳＴＭ装置として使用すること
ができる。つぎに、この装置を静電容量型ＡＦＭ装置と
して使用する場合の方法を説明する。試料２２０とティ
ップ２０５とが一定の弱い圧力で接した状態で基板２０
１と試料２２０との距離が変化しないように、不図示の
距離（Ｚ方向）制御機構によって固定し、基板２０１を
試料面に対して平行にＸＹ走査する。この時、テイップ
２０５は試料２２０表面の凹凸に従ってＺ方向に上下す
ることになるので、固定電極２０３と可動電極２０６間
の距離が変わり、固定電極２０３と可動電極２０６間の
静電容量が変化する。この静電容量変化を静電容量検出
ユニット２２６で検出し、前記ＸＹ走査した位置に合わ
せてプロットすることにより、試料の表面形状とする。
【００２１】本実施例のＳＴＭ／ＡＦＭ装置を用いるこ
とで、同一試料の同一領域を、ＳＴＭモード及びＡＦＭ
モードで観測することにより、表面形状と導電性分布と
の両方の情報を混同することなく調べることが可能であ
る。
とで、同一試料の同一領域を、ＳＴＭモード及びＡＦＭ
モードで観測することにより、表面形状と導電性分布と
の両方の情報を混同することなく調べることが可能であ
る。
【００２２】［実施例３］本実施例では、ティップが設
けられた平板部を複数個有するマルチＳＴＭ装置につい
て図４を用いて説明する。図４は、本実施例の静電駆動
型マルチＳＴＭ装置のプローブの概略説明図であり、
（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。図４の
構成は、基本的には実施例ｌで示したＳＴＭプローブ
（図ｌ参照）を同一基板内に３つ形成したものである。
４０１〜４１４は、１０１〜１１４にそれぞれ対応して
いる。本実施例では基板４０１の材質にシリコンを用い
ているため、実施例１と異なり表面に絶縁層４０２を形
成し、基板上の各電極を絶縁している。半導体プロセス
技術を用いて作製することにより、容易に、かつ、ばら
つき無く複数個のプローブを形成可能である。また、並
べ方も直線状以外にも、マトリクス状など２次元配列す
ることが可能である。本実施例においては、それぞれの
トーション型平板部を独立に駆動することが可能であ
り、即ち、同時に複数のＳＴＭ観察が可能となる。
けられた平板部を複数個有するマルチＳＴＭ装置につい
て図４を用いて説明する。図４は、本実施例の静電駆動
型マルチＳＴＭ装置のプローブの概略説明図であり、
（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。図４の
構成は、基本的には実施例ｌで示したＳＴＭプローブ
（図ｌ参照）を同一基板内に３つ形成したものである。
４０１〜４１４は、１０１〜１１４にそれぞれ対応して
いる。本実施例では基板４０１の材質にシリコンを用い
ているため、実施例１と異なり表面に絶縁層４０２を形
成し、基板上の各電極を絶縁している。半導体プロセス
技術を用いて作製することにより、容易に、かつ、ばら
つき無く複数個のプローブを形成可能である。また、並
べ方も直線状以外にも、マトリクス状など２次元配列す
ることが可能である。本実施例においては、それぞれの
トーション型平板部を独立に駆動することが可能であ
り、即ち、同時に複数のＳＴＭ観察が可能となる。
【００２３】［実施例４］本実施例では実施例１で示し
た静電駆動型ＳＴＭ装置（図１、図２参照）と、金（Ａ
ｕ）を表面に堆積したシリコンウエハとを、真空排気し
たチャンバー内に設置し、チャンバー内の真空度が約１
×１０-4Ｔｏｒｒとなるように６フッ化タングステン
（ＷＦ6）ガスを導入する。この状態で試料（Ａｕ）表
面のＳＴＭ観察を行うと、ティップ走査部分に対応して
タングステンが試料表面に堆積する。この様なＳＴＭ装
置構成による試料表面への選択堆積あるいはエッチング
などの加工においても、本発明の装置は従来の装置に比
較してＺ軸方向の変位量が大きいので、より深いエッチ
ングや厚い堆積が可能となり有効である。
た静電駆動型ＳＴＭ装置（図１、図２参照）と、金（Ａ
ｕ）を表面に堆積したシリコンウエハとを、真空排気し
たチャンバー内に設置し、チャンバー内の真空度が約１
×１０-4Ｔｏｒｒとなるように６フッ化タングステン
（ＷＦ6）ガスを導入する。この状態で試料（Ａｕ）表
面のＳＴＭ観察を行うと、ティップ走査部分に対応して
タングステンが試料表面に堆積する。この様なＳＴＭ装
置構成による試料表面への選択堆積あるいはエッチング
などの加工においても、本発明の装置は従来の装置に比
較してＺ軸方向の変位量が大きいので、より深いエッチ
ングや厚い堆積が可能となり有効である。
【００２４】［実施例５］本実施例では実施例３で示し
た複数のプローブを持つマルチＳＴＭ装置を用いて、試
料としての記録媒体に電気的な加工を施すことにより記
録ビットの書き込みを行ない、実際にそのビットを用い
て情報の記録再生消去を行なった例を示す。 記録媒体
としては特開昭６３−１６１５５２号公報および特開昭
６３−１６１５５３号公報に開示されている記録媒体で
あるＡｕ電極上に積層されたＳＯＡＺ−ラングミュアー
プロジェット（ＬＢ）膜（２層膜）を試料として用い
る。Ａｕ電極には実施例１で用いた抵抗加熱によるＡｕ
の蒸着膜を用いている。この記録媒体に、平板部上のテ
ィップを用いて波高値−６Ｖおよび＋１．５Ｖの連続し
たパルス電圧を重畳したバイアスをティップと記録媒体
の間に印加することで電気的な情報の書き込みを行う。
さらにその書き込んだ情報を読み出すために、ＳＴＭ装
置と同様な走査方法によってトンネル電流を測定し、得
られるトンネル電流信号から、電気的加工によって書き
込んだビット信号を抽出し、抽出したビット信号から書
き込んだ情報の再生を行う。再生した情報は、トンネル
電流信号の飽和や不検出状態等が起こらず、情報の欠落
等も発生せず、書き込んだ情報は１００％再生できる。
た複数のプローブを持つマルチＳＴＭ装置を用いて、試
料としての記録媒体に電気的な加工を施すことにより記
録ビットの書き込みを行ない、実際にそのビットを用い
て情報の記録再生消去を行なった例を示す。 記録媒体
としては特開昭６３−１６１５５２号公報および特開昭
６３−１６１５５３号公報に開示されている記録媒体で
あるＡｕ電極上に積層されたＳＯＡＺ−ラングミュアー
プロジェット（ＬＢ）膜（２層膜）を試料として用い
る。Ａｕ電極には実施例１で用いた抵抗加熱によるＡｕ
の蒸着膜を用いている。この記録媒体に、平板部上のテ
ィップを用いて波高値−６Ｖおよび＋１．５Ｖの連続し
たパルス電圧を重畳したバイアスをティップと記録媒体
の間に印加することで電気的な情報の書き込みを行う。
さらにその書き込んだ情報を読み出すために、ＳＴＭ装
置と同様な走査方法によってトンネル電流を測定し、得
られるトンネル電流信号から、電気的加工によって書き
込んだビット信号を抽出し、抽出したビット信号から書
き込んだ情報の再生を行う。再生した情報は、トンネル
電流信号の飽和や不検出状態等が起こらず、情報の欠落
等も発生せず、書き込んだ情報は１００％再生できる。
【００２５】また、一度書き込んだ一連の部分に上述の
バイアスと逆の大きさのパルスを重畳したバイアスをテ
ィップと記録媒体の間に印加する。その後に一連のビッ
トを形成する部分を走査しトンネル電流を測定すると、
すべてビットがない場合の大きさに戻っている、すなわ
ち書き込んだデータが消去されていることを確認でき
る。すなわち、本発明によって、消去に対しても安定に
ティップ制御ができる。以上は実施例１に基づいたＳＴ
Ｍでの記録再生について述べたが、ＡＦＭ／ＳＴＭ複合
機についても同様に記録再生が可能である。ＡＦＭ／Ｓ
ＴＭ複合機においては、ＳＴＭの場合と同様に、ティッ
プによってバイアスを印加する方法により情報の書き込
みをし、ＡＦＭ機構によって媒体とティップの距離を一
定に保ちながら、観測されるトンネル電流の変化から情
報を読みとるという方法によって記録再生が実現してい
る。もちろん、消去についても本実施例前半で述べた方
法と同一の方法で行なって確認した。
バイアスと逆の大きさのパルスを重畳したバイアスをテ
ィップと記録媒体の間に印加する。その後に一連のビッ
トを形成する部分を走査しトンネル電流を測定すると、
すべてビットがない場合の大きさに戻っている、すなわ
ち書き込んだデータが消去されていることを確認でき
る。すなわち、本発明によって、消去に対しても安定に
ティップ制御ができる。以上は実施例１に基づいたＳＴ
Ｍでの記録再生について述べたが、ＡＦＭ／ＳＴＭ複合
機についても同様に記録再生が可能である。ＡＦＭ／Ｓ
ＴＭ複合機においては、ＳＴＭの場合と同様に、ティッ
プによってバイアスを印加する方法により情報の書き込
みをし、ＡＦＭ機構によって媒体とティップの距離を一
定に保ちながら、観測されるトンネル電流の変化から情
報を読みとるという方法によって記録再生が実現してい
る。もちろん、消去についても本実施例前半で述べた方
法と同一の方法で行なって確認した。
【００２６】［実施例６］図１４は本実施例の静電駆動
プローブユニットの斜視図である。本実施例は実施例１
の固定電極１０３の形状がくし形からＹ字形状になり、
可動電極１０６の形状がくし型から台形形状になった他
はすべて同一である。本実施例において、アクチュエー
タが駆動するときの可動電極の駆動方向は可動電極に対
して垂直な方向である。可動電極８０６は、固定電極８
０３に対して８０６の駆動方向に投影した際に重なる部
分が無いように配置されている。本実施例の静電駆動プ
ローブユニットは、駆動電圧が高い以外は実施例１の静
電駆動プローブユニットと全く同様に使用することがで
きる．
プローブユニットの斜視図である。本実施例は実施例１
の固定電極１０３の形状がくし形からＹ字形状になり、
可動電極１０６の形状がくし型から台形形状になった他
はすべて同一である。本実施例において、アクチュエー
タが駆動するときの可動電極の駆動方向は可動電極に対
して垂直な方向である。可動電極８０６は、固定電極８
０３に対して８０６の駆動方向に投影した際に重なる部
分が無いように配置されている。本実施例の静電駆動プ
ローブユニットは、駆動電圧が高い以外は実施例１の静
電駆動プローブユニットと全く同様に使用することがで
きる．
【００２７】
【発明の効果】本発明は、以上の構成によりつぎのよう
な効果を奏する。
な効果を奏する。
【００２８】本発明の静電アクチュエータは、上記した
ように崩れ電圧が存在しないので、従来の平行平板対向
型アクチュエータに比べて大きな変位を得ることがで
き、また、変位の不安定な点が存在しないので、従来の
平行平板対向型アクチュエータに比べて、制御性に優れ
たアクチュエータを実現することができる。また、本発
明においては、従来のくし形電極噛み合い形アクチュエ
ータに比べて、発生力が大きい静電アクチュエータを容
易に作成することができる。また、本発明の静電アクチ
ュエータにより構成された静電駆動プローブは、ティッ
プの変位を従来よりも大きく取ることができるので、本
発明の静電アクチュエータを用いて走査型プローブ顕微
鏡を構成することにより、より正碓な表面凹凸状態を観
察することができる。同様に、本発明の静電アクチュエ
ータを用いて加工装置を構成することにより、より深い
エッチングや厚い堆積が可能となり、また、それにより
記録再生装置を構成することにより、従来よりも凹凸の
大きな媒体を使用することが可能となる。
ように崩れ電圧が存在しないので、従来の平行平板対向
型アクチュエータに比べて大きな変位を得ることがで
き、また、変位の不安定な点が存在しないので、従来の
平行平板対向型アクチュエータに比べて、制御性に優れ
たアクチュエータを実現することができる。また、本発
明においては、従来のくし形電極噛み合い形アクチュエ
ータに比べて、発生力が大きい静電アクチュエータを容
易に作成することができる。また、本発明の静電アクチ
ュエータにより構成された静電駆動プローブは、ティッ
プの変位を従来よりも大きく取ることができるので、本
発明の静電アクチュエータを用いて走査型プローブ顕微
鏡を構成することにより、より正碓な表面凹凸状態を観
察することができる。同様に、本発明の静電アクチュエ
ータを用いて加工装置を構成することにより、より深い
エッチングや厚い堆積が可能となり、また、それにより
記録再生装置を構成することにより、従来よりも凹凸の
大きな媒体を使用することが可能となる。
【図１】実施例１の静電駆動型ＳＴＭプローブユニット
の斜視図である。
の斜視図である。
【図２】実施例１の静電駆動型ＳＴＭプローブユニット
の断面図と制御回路の概略図である。
の断面図と制御回路の概略図である。
【図３】実施例２のＳＴＭ／ＡＦＭプローブユニットの
断面図と制御回路の概略図である。
断面図と制御回路の概略図である。
【図４】実施例３の静電駆動型マルチＳＴＭ装置のプロ
ーブの概略説明図である。
ーブの概略説明図である。
【図５】本発明のアクチュエータの概念図である。
【図６】本発明のアクチュエータの電極間距離と静電容
量の関係を説明する図である。
量の関係を説明する図である。
【図７】本発明のアクチュエータの電極間距離とｄＣ／
ｄｘの関係を説明する図である。
ｄｘの関係を説明する図である。
【図８】本発明のアクチュエータの駆動電圧と変位の関
係を説明する図である。
係を説明する図である。
【図９】従来の平行平板対向型アクチュエータの概念図
である。
である。
【図１０】従来の平行平板対向型アクチュエータの変位
と静電引力の関係を説明する図である。
と静電引力の関係を説明する図である。
【図１１】従来の平行平板対向型アクチュエータの駆動
電圧と変位の関係を説明する図である。
電圧と変位の関係を説明する図である。
【図１２】従来のくし形電極かみあい型アクチュエータ
の極念図である。
の極念図である。
【図１３】従来のくし形電極かみあい型アクチュエータ
の駆動電圧と変位の関係を説明する図である。
の駆動電圧と変位の関係を説明する図である。
【図１４】実施例６の静電駆動型のプローブユニットの
斜視図である。
斜視図である。
ｌ０１、２０１、４０１、７０１、８０１：基板 １０２、４０２、８０２：絶縁層 １０３、２０３、３０３、４０３、６０３、７０３、８
０３： 固定電極 １０４、２０４、４０４、８０４：空隙部 ｌ０５、２０５、４０５、８０５：ティップ １０６、２０６、３０６、４０６、６０６、７０６、８
０６、９０６：可動電極 １０７、２０７、４０７、７０７、８０７：平板部 １０８、２０８、４０８、８０８：トーションバー １０９、４０９、８０９：支持部 １１０、２１０、４１０、８１０：可動電極駆動電圧信
号線 １１１、２１１、４１１、８１１：固定電極駆動電圧信
号線 １１２、２１２、４１２、８１２：トンネル電流検出信
号線 ３１５、６１５、９１５：バイアスばね １２０、２２０：試料基板 １２１、２２１：駆動電圧制御回路 １２２、２２２：Ｚ方向位置制御回路 １２３、２２３：Ｉ−Ｖ変換回路 １２４、２２４：データ等生成回路 １２５、２２５：測定バイアス印加回路 ２２６：静電容量検出ユニット
０３： 固定電極 １０４、２０４、４０４、８０４：空隙部 ｌ０５、２０５、４０５、８０５：ティップ １０６、２０６、３０６、４０６、６０６、７０６、８
０６、９０６：可動電極 １０７、２０７、４０７、７０７、８０７：平板部 １０８、２０８、４０８、８０８：トーションバー １０９、４０９、８０９：支持部 １１０、２１０、４１０、８１０：可動電極駆動電圧信
号線 １１１、２１１、４１１、８１１：固定電極駆動電圧信
号線 １１２、２１２、４１２、８１２：トンネル電流検出信
号線 ３１５、６１５、９１５：バイアスばね １２０、２２０：試料基板 １２１、２２１：駆動電圧制御回路 １２２、２２２：Ｚ方向位置制御回路 １２３、２２３：Ｉ−Ｖ変換回路 １２４、２２４：データ等生成回路 １２５、２２５：測定バイアス印加回路 ２２６：静電容量検出ユニット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０２Ｎ 1/00 Ｈ０２Ｎ 1/00
Claims (7)
- 【請求項１】基板上に空隙を介して配置された可動平板
と、該可動平板を回転自在に支持する２つのトーション
バーと、該可動平板上に設けられている可動電極と、該
可動電極に対向して該基板上に設けられている固定電極
とを有する静電アクチュエータであって、前記可動電極
を前記固定電極に対して、前記可動電極の駆動方向に投
影した際に、重なる部分が無いように配置されているこ
とを特徴とする静電アクチュエータ。 - 【請求項２】基板上に空隙を介して配置された可動平板
と、該可動平板を回転自在に支持する２つのトーション
バーと、該可動平板上に設けられている可動電極と、該
可動電極に対向して該基板上に設けられている固定電極
とを有する静電アクチュエータであって、前記可動電極
と前記固定電極の形状がくし形状であって、前記可動電
極を前記固定電極に対して、前記可動電極の駆動方向に
投影した際に、くしの歯が互い違いになって重なる部分
が無いように配置されていることを特徴とする静電アク
チュエータ。 - 【請求項３】請求項２に記載の静電アクチュエータにお
いて、前記可動電極と前記固定電極のくし形状のくしの
歯の間隔ｗと前記可動電極と前記固定電極の空隙の長さ
ｄ0が、ｄ0＜ｗの関係にあることを特徴とする静電アク
チュエータ。 - 【請求項４】走査型プローブ顕微鏡用の静電駆動プロー
ブにおいて、請求項１ないし請求項３に記載の静電アク
チュエータを用い、該静電アクチュエータの前記平板部
の一端にティップを設けてプローブを構成したことを特
徴とする静電駆動プローブ。 - 【請求項５】請求項４に記載の静電駆動プローブと、前
記静電駆動プローブの前記可動電極と前記固定電極の間
に印加する電圧を制御する駆動制御部と、前記静電駆動
プローブと観察すべき試料の相対位置を変化させる走査
装置と、前記試料の表面情報を処理する信号処理部とを
備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項６】請求項４に記載の静電駆動プローブと、前
記静電駆動プローブの前記可動電極と前記固定電極の間
に印加する電圧を制御する駆動制御部と、前記静電駆動
プローブと加工すべき試料の相対位置を変化させる走査
装置と、前記試料の表面情報を処理する信号処理部とを
備えたことを特徴とする加工装置。 - 【請求項７】請求項４に記載の静電駆動プローブと、前
記静電駆動プローブの駆動を制御し、記録媒体上に信号
を記録もしくは再生する手段を有する記録再生回路を備
えたことを特徴とする記録再生装置。
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