DE69217721T2

DE69217721T2 - Mikroverschiebungselement für ein Tunnelrastermikroskop

Info

Publication number: DE69217721T2
Application number: DE69217721T
Authority: DE
Inventors: Yutaka C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Hirai; Yuji C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Kasanuki; Masaru C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Nakayama; Yoshio C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Suzuki; Takayuki C/O Canon Kabushiki Kaish Ohta-Ku Tokyo Yagi; Keisuke C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Yamamoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-05-28
Filing date: 1992-05-27
Publication date: 1997-07-17
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: EP0516380A2; CA2069702C; JP3198355B2; ATE149685T1; CA2069702A1; EP0516380B1; EP0516380A3; DE69217721D1; US5268571A; JPH05347439A

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikroverschiebungselement, welches einen Einelement-Ausleger aufweist, als auch ein Tunnelrastermikroskop (STM) und eine Informationsverarbeitungsvorrichtung großer Kapazität und hoher Aufzeichnungsdichte unter Anwendung des Mikroverschiebungselements.
Die Datenaufzeichnungskapazität in Infortnationsverarbeitungsvorrichtungen hat sich von Jahr zu Jahr erhöht, während die physische Größe der Aufzeichnungseinheiten tatsächlich zurückgegangen ist. Dies ist durch eine bedeutende Erhöhung der Aufzeichnungsdichte erreicht worden. Z. B. beträgt in einer digitalen Audio-Disk-Vorrichtung, in welcher ein optisches Aufzeichnungssystem verwendet wird, die Größe einer Aufzeichnungseinheit nur etwa 1µm².
Die aktive Entwicklung neuer Speichermaterialien schreitet fort und kostengünstige Aufzeichnungsmedien hoher Speicherdichte, welche organische Dünnschichten organischer Farbstoffe, Fotopolymere und dergleichen verwenden, sind vorgeschlagen worden.
Das Tunnelrastermikroskop (STM) ist eine Entwicklung, in welcher der elektronische Aufbau der Oberflächenatome eines Leiters unmittelbar beobachtet werden kann [G. Binning und andere, Helvetica Physica Acta, 55, 726 (1982)], und demzufolge ist das reale Raumbild mit hoher Auflösung meßbar.
Außerdem ist die Beobachtung bei einer niedrigen elektrischen Leistung ohne Beschädigung eines Mediums durch Strom vorteilhaft ausführbar. Weiterhin kann das STM selbst unter atmosphärischen Bedingungen betrieben werden und ist auf verschiedene Materialien anwendbar. Aus diesen Gründen ist seine Anwendung auf vielen Gebieten zu erwarten.
Das STM nutzt die Erscheinung, daß beim Anlegen einer Spannung zwischen einer Sonde aus Metall (einer Sondenelektrode) und einem leitfähigen Material, wenn die Sonde nahe an eine Position herangeführt ist, etwa 1 Nanometer vom leitfähigen Material entfernt, zwischen diesen ein Tunnelstrom fließt. Dieser Strom reagiert sehr empfindlich auf die Änderung des Abstands zwischen diesen, und daher kann die Oberflächeninformation des reellen Raums durch das Abtasten mit der Sonde gewonnen werden, wobei der Strom oder der durchschnittliche Abstand zwischen diesen gleichbleibend erhalten wird. In diesem Fall beträgt die Auflösung in der Oberflächenrichtung etwa 1 Å (1 x 10&supmin;¹ nm).
Wird das Prinzip des STM angewendet, können eine ausreichend hochdichte Aufzeichnung und Wiedergabe in atomarer Größenordnung (mehrere Angström [mehrere 10&supmin;¹ nm]) erreicht werden. In diesem Fall sind als Aufzeichnungs-Wiedergabe-Verfahren vorgeschlagen worden, z. B. ein Verfahren, welches die Änderung des Oberflächenzustands einer geeigneten Aufzeichnungsschicht durch das Verwenden eines Teilchenstrahls (eines Elektronenstrahls oder eines Ionenstrahls) oder eines Energiestahls einer energiereichen elektromagnetischen Welle aufweist, wie z. B. eines Röntgenstrahls und eines sichtbaren oder eines ultravioletten Lichts, zum Aufzeichnen der Information und um diese dann durch das STM wiederzugeben, sowie ein Verfahren, bei welchem ein Material eine Eigenschaft des raschen Umschaltens der Spannung-Strom-Kennlinie mit einem Memory-Effekt aufweist, z. B. eine Dünnschicht oder eine organische Verbindung der π-Elektronen-Type oder eine Chalkogen-Verbindung, welche als Aufzeichnungsschicht verwendet wird, und das Aufzeichnen und das Wiedergeben unter Verwendung des STM ausgeführt werden (japanische Offenlegungsschrift Nr. 63-161552 und dergleichen)
In der Informationsverarbeitungsvorrichtung, welche das STM verwendet, ist es wichtig, den Abstand zwischen einer Sonde und einem Aufzeichnungsmedium in einer Angström-Größenordnung (10&supmin;¹ nm-Größenordnung) zu steuern. Außerdem ist vorgeschlagen worden, unter dem Gesichtspunkt der Funktionsverbesserung eines Aufzeichnungs-Wiedergabe-Systems gleichzeitig viele Sonden anzusteuern (Vervielfachen der Sonde), insbesondere bei einer Hochgeschwindigkeitsverarbeitung.
Für diese Steuerung sind bisher ein piezoelektrisches Element der Schichttype, ein zylindrisches piezoelektrisches Element und dergleichen an der Sonde oder dem Medium angeordnet in Verwendung (USA-Patent Nr. 4668865). Diese Elemente sind jedoch nicht für die Integration geeignet, doch deren Anwendung gestattet, eine große Verschiebung zu erreichen. Somit ist es ungünstig, diese Elemente in der Informationsverarbeitungsvorrichtung der Mehrfach-Sondentype anzuwenden. Im Hinblick auf diesen Standpunkt wurde ein Verfahren vorgeschlagen, in welchem eine Sonde an einem Ausleger angeordnet ist, welcher eine Länge von etwa mehreren hundert Mikrometer aufweist, und dieser Ausleger wird dann durch ein piezoelektrisches Element angetrieben.
Fig. 9 und Fig. 10 zeigen ein Beispiel, in welchen ein Ausleger mit einem piezoelektrischen Doppelelement auf einem Si-Substrat ausgebildet ist [Thomas R. Albrecht und andere, J. Vac. Sci. Technol., A8, S. 317, 1990]. Fig. 9 zeigt dessen perspektivische Ansicht, und wie in dieser Zeichnung gezeigt, ist ein Ausleger auf einem Si-Substrat 1 erzeugt, durch Laminieren zweigeteilter Unterelektroden 3, einer piezoelektrischen ZnO-Dünnschicht 904, einer Mittelelektrode 902, einer piezoelektrischen ZnO-Dünnschicht 904 und Zweigeteilter Oberelektroden, und ein Abschnitt des Si-Substrats unter dem Ausleger wird dann durch anisotropes Ätzen entfernt, so daß der Ausleger von der Kante des Si-Substrats überhängig gehalten wird.
An der Spitze des Auslegers mit diesem piezoelektrischen Doppelelement ist eine Metallsonde 6 angeordnet, welche durch eine herausragende Elektrode einen Tunnelstrom erfaßt. Wenn in diesem Fall Spannungen unabhängig an die vier Bereiche angelegt sind, mit zwei zwischen den Oberelektroden 5 und der Mittelelektrode 902 des Auslegers zwischengeschichteten piezoelektrischen Bereichen, als auch zwei zwischen den Unterelektroden 3 und der Mittelelektrode 902 zwischengeschichteten piezoelektrischen Bereichen, wie in der Schnittansicht in Fig. 10 gezeigt, ist der Ausleger mit der Sonde 6 unabhängig bewegbar.
Wird jedoch der Ausleger, welcher einen solchen piezoelektrischen Doppelelement-Aufbau aufweist, wie er in dem herkömmlichen Beispiel aufgezeigt ist, dem Hochgeschwindigkeitsabtasten unterzogen, tritt eine ungünstige mechanische Schwingung, welche als Grundschwingung bezeichnet wird, am Ausleger auf, welche ein genaues Beobachten des Bilds erschwert.
In dem Fall, daß eine Vielzahl von Auslegern einstückig angeordnet ist, liegt zusätzlich ein Problem dahingehend vor, daß sich einige von ihnen auf Grund der inneren Spannung der piezoelektrischen Dünnschicht oder der Elektrodendünnschicht krümmen. Wie angenommen wird, kann dies der Ungleichmäßigkeit und dergleichen der piezoelektrischen Dünnschichten oder der Elektrodendünnschichten zum Zeitpunkt der Erzeugung dieser Schichten durch einen Sputterprozeß oder durch einen Aufdampfprozeß zugeschrieben werden.
Zum Schreiben oder Lesen der Information in der Informationsverarbeitungsvorrichtung ist es notwendig, daß alle der entsprechenden Ausleger normal arbeiten. Ist die Genauigkeit dieser Ausleger niedrig, sind eine äußere Ausgleichoperation und dergleichen erforderlich, um die Genauigkeit zu gewährleisten.
Da außerdem der Ausleger den piezoelektrischen Doppelelement-Aufbau unter Verwendung der zwei piezoelektrischen Schichten aufweist, sind viele Fertigungsschritte erforderlich, welche die Erzeugung des Auslegers kompliziert werden lassen. Demzufolge ist es schwierig, die Spannung der Dünnschichten in den jeweiligen Schichten zu beherrschen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neuartiges Mikroverschiebungselement zu schaffen, durch welches eine auf einem Ausleger erzeugte Grundschwingung zum Zeitpunkt des Hochgeschwindigkeitsabtastens wesentlich verminderbar ist und welches das Beobachten des Bilds, das Aufzeichnen und Wiedergeben mit hoher Genauigkeit und Wiedergabetreue gestattet, und ein STM zu schaffen sowie eine Informationsverarbeitungsvorrichtung, welche das Mikroverschiebungselement verwenden.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Mikroverschiebungselementanordnung der Mehrfach- Ausführungsform zu schaffen, durch welche die Krümmung und die Ungleichmäßigkeit der auf einem Substrat angeordneten Vielzahl von Auslegern auf ein Minimum vermindert werden kann, und durch welches das Beobachten des Bilds, das Aufzeichnen und das Wiedergeben mit hoher Genauigkeit und Wiedergabetreue erreichbar ist, sowie ein STM und eine Informationsverarbeitungsvorrichtung zu schaffen, welche die Mikroverschiebungselementmatrix der Mehrfach-Ausführungsform verwenden.
Die vorstehend erwähnten Aufgaben können durch die folgende vorliegende Erfindung erreicht werden.
Das heißt, der erste Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist mit einem Mikroverschiebungselement verbunden, welches einen Einelement-Ausleger mit einer piezoelektrischen Dünnschicht aufweist, ein Paar von Elektroden, zwischen denen die piezoelektrische Dünnschicht zwischengeschichtet ist, und eine elastische Dünnschicht, wobei ein Ende des Auslegers durch eine Trageinrichtung gehalten wird und dessen anderes Ende mit der Sonde zur Ein- und zur Ausgabe der Information ausgestattet ist, wobei der Elastizitätsmodul der Dünnschicht einen vorbestimmten Bereich und die linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der elastischen Dünnschicht und der piezoelektrischen Dünnschicht eine vorbestimmte Beziehung aufweisen.
Der zweite Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist mit einer Mikroverschiebungselementmatrix der Mehrfach-Ausführungsform verbunden, in welcher mindestens zwei der vorstehend erwähnten Mikroverschiebungselemente in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind.
Der dritte Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist mit einem Tunnelrastermikroskop verbunden, welches aufweist:
- das vorstehend erwähnte Mikroverschiebungselement, das so angeordnet ist, daß es in Gegenüberlage eines elektrischen Leiters ist,
- eine Ansteuereinrichtung zum Ansteuern des Mikroverschiebungselements,
- eine Steuereinrichtung zum Steuern der Ansteuereinrichtung,
- eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen dem elektrischen Leiter und der Sonde,
- eine Einrichtung zum Erfassen eines Tunnelstroms, welcher zwischen dem elektrischen Leiter und der Sonde fließt, und
- eine Einrichtung zum Ausgeben einer Information im Hinblick auf die Oberfläche des elektrischen Leiters auf der Grundlage der Erfassung eines Tunnelstroms.
Der vierte Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist mit einer Informationsverarbeitungsvorrichtung verbunden, welche aufweist:
- das vorstehend erwähnte Mikroverschiebungselement, welches so angeordnet ist, daß es in Gegenüberlage eines Aufzeichnungsmediums ist,
- eine Ansteuereinrichtung zum Ansteuern des Mikroverschiebungselements,
- eine Steuereinrichtung zum Steuern der Ansteuereinrichtung und
- eine Einrichtung zum Anlegen einer Informationsaufzeichnungs-Impulsspannung zwischen dem Aufzeichnungsmedium und der Sonde.
Der fünfte Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist mit einer Informationsverarbeitungsvorrichtung verbunden, welche aufweist:
- ein Mikroverschiebungselement, welches so angeordnet ist, daß es sich in Gegenüberlage zu einem Aufzeichnungsmedium befindet,
- eine Ansteuereinrichtung zum Ansteuern des Mikroverschiebungselements,
- eine Steuereinrichtung zum Steuern der Ansteuereinrichtung und
- eine Einrichtung zum Anlegen einer Informationswiedergabe-Vorspannung zwischen dem Aufzeichnungsmedium und der Sonde.
Der sechste Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist mit einer Informationsverarbeitungsvorrichtung verbunden, welche aufweist:
- ein Mikroverschiebungselement, welches so angeordnet ist, daß es sich in Gegenüberlage eines Aufzeichnungsmediums befindet,
- eine Ansteuereinrichtung zum Ansteuern des Mikroverschiebungselements,
- eine Steuereinrichtung zum Steuern der Ansteuereinrichtung,
- eine Einrichtung zum Anlegen einer Informationsaufzeichnungs-Impulsspannung zwischen dem Aufzeichnungsmedium und der Sonde und
und eine Einrichtung zum Anlegen einer Informationswiedergabe-Vorspannung zwischen dem Aufzeichnungsmedium und der Sonde.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Mikroverschiebungselements der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Mikroverschiebungselements der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3A und Fig. 3B zeigen die Ansprechempfindlichkeit des Mikroverschiebungselements der vorliegenden Erfindung, und Fig. 3A zeigt eine anliegende Spannung, und Fig. 3B zeigt eine Verschiebung,
Fig. 4A und Fig. 4B zeigen die Ansprechempfindlichkeit in dem Fall, daß eine Doppelelement-Ausleger verwendet wird, und Fig. 4A zeigt eine anliegende Spannung, und Fig. 4B zeigt eine Verschiebung,
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Mikroverschiebungselementmatrix der Mehrfach-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht des Mikroverschiebungselements des Ausführungsbeispiels 2 der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7 zeigt eine schematische Ansicht der im Ausführungsbeispiel 2 verwendeten Aufzeichnungs-/Wiedergabe- Vorrichtung,
Fig. 8A bis 8C zeigen die Kennlinien des Mikroverschiebungselements des Ausführungsbeispiels 4,
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Mikroverschiebungselements, und
Fig. 10 zeigt eine Schnittansicht des herkömmlichen Mikroverschiebungselements.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In der vorliegenden Erfindung ist ein auslegerförmiges Verschiebungselement zum Herbeiführen einer Mikroverschiebung nicht so erzeugt, daß es einen Doppelelement-Aufbau aufweist, in welchem zwei piezoelektrische Dünnschichten jeweils zwischen Elektroden geschichtet angeordnet sind, sondern so, daß sie einen Einelement-Aufbau zeigen, welcher eine elastische Dünnschicht und eine einzelne piezoelektrische Dünnschicht aufweist, welche zwischen einem Paar von Elektroden geschichtet angeordnet sind, wobei die Grundschwingung bei einer Hochgeschwindigkeitsoperation gedämpft werden kann, die Anzahl der Schritte zum Zeitpunkt der Herstellung verminderbar ist und die mehrfachen Schichterzeugungsschritte, welche die erhöhte Gleichmäßigkeit beim Erzeugen der Dünnschichten beeinflussen, so weit als möglich eingeschränkt werden.
Wenn ferner ein Material mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizient, welcher mit dem der piezoelektrischen Dünnschicht vergleichbar ist, als ein Material für die elastische Dünnschicht ausgewählt wird, kann das Element erzeugt werden, welches thermisch stabil ist und sich kaum krümmt.
Der Grund für die Auswahl eines solchen Materials besteht darin, daß es notwendig ist, die Steuerung in einer molekularen/atomaren Größenordnung auszuführen, d. h. in einer Größenordnung von mehreren Nanometer, und wenn dann ein Temperaturunterschied vorliegt, neigt der Ausleger durch einen Bimetalleffekt zum ungünstigen Krümmen.
Die zu bevorzugende Kombination der elastischen Dünnschicht und der piezoelektrischen Dünnschicht ist derart, daß die linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten beider Materialien einander gleich sind und mindestens die folgende Beziehung erfüllt werden kann:
(A - B)/A x 100 ≤ 50 %,
wobei A der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials ist, aus welchem die elastische Dünnschicht ausgebildet ist, und B ist der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des die piezoelektrische Dünnschicht ausbildenden Materials.
Typische Beispielskombinationen sind:
elastische Dünnschicht: MgO (A: 1,3 x 10&supmin;&sup5;/K) und
piezoelektrische Dünnschicht: ZnO (B: 1,5 x 10&supmin;&sup5;/K);
elastische Dünnschicht: Mo (A: 5,0 x 10&supmin;&sup6;/K) und
piezoelektrische Dünnschicht: AlN (B: 5,0 x 10&supmin;&sup6;/K); und
elastische Dünnschicht: Si (A: 2,5 x 10&supmin;&sup6;/K) und
piezoelektrische Dünnschicht: PbTiO&sub3; (B: 3,0 x 10&supmin;&sup6;/K).
Die Dicke der elastischen Dünnschicht soll etwa jener der piezoelektrischen Dünnschicht entsprechen, und sie ist vorzugsweise in dem Bereich von 0,1 bis 1,5 µm.
Das Material der elastischen Dünnschicht kann organisch oder anorganisch sein.
Weiterhin ist es in dem Mikroverschiebungselement der vorliegenden Erfindung von Wichtigkeit, daß ein Elastizitätsmodul der elastischen Dünnschicht als eine Dämpfungseinrichtung (ein Bremsmaterial) in einem geeigneten Bereich eingestellt ist. D. h., z. B. bei der Hochgeschwindigkeitsoperation des STM wird die Verschiebung überschwingen, wenn eine Impulsspannung als eine Steuerspannung angelegt wird. Diese Erscheinung wird der Eigenfrequenz zugeschrieben.
Es ist notwendig, daß der Elastizitätsmodul der elastischen Dünnschicht in dem Bereich von 1 x 10&sup4; bis 5 x 10¹¹ N/m² liegt, vorzugsweise in dem Bereich von 1 x 10&sup6; bis 5 x 10&sup8; N/m².
In der vorstehend erwähnten Informationsverarbeitungsvorrichtung wird eine Sinuswelle, eine Dreieckwelle, eine Rechteckwelle oder dergleichen verwendet, welche ein alternierendes Signal in einem Breitband darstellt, als ein Ansteuersignal des Mikroverschiebungselements verwendet. Daher gestattet das Anordnen der elastischen Dünnschicht das Unterbinden der unnötigen Schwingung.
Ferner kann eine unterschiedliche Verformung einer Sonde durch zusätzliches Vorsehen eines Paars von Elektroden auf dem Ausleger in deren Querrichtung unabhängig vorgenommen werden, was ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist.
In dem Fall der Mikroverschiebungselementmatrix der Mehrfach-Ausführungsform werden die jeweiligen Ausleger genau erzeugt, und demzufolge werden Ausleger hoher Qualität bei einer hohen Ausbeute hergestellt, ohne daß verkrümmte Ausschußgegenstände erzeugt werden.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht des Mikroverschiebungselements der vorliegenden Erfindung, und Fig. 2 zeigt dessen perspektivische Ansicht.
Eine elastische Dünnschicht 2 wird auf einem Si-Substrat 1 erzeugt, und auf dieser elastischen Dünnschicht 2 werden eine Unterelektrode 3, eine piezoelektrische Dünnschicht 4, eine Oberelektrode 5 und eine Sonde 6 in dieser Reihenfolge geschichtet aufgetragen. Eine Vielzahl von solchen Mikroverschiebungselementen ist auf demselben Si-Substrat angeordnet, und ein elektrisches Feld wird an die piezoelektrischen Abschnitte angelegt, um die Ausleger anzutreiben, wobei das Lesen und das Schreiben unter Verwendung eines Tunnelstroms ausgeführt werden.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die Ausführungsbeispiele ausführlich beschrieben.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 5 zeigt schematisch eine Schnittansicht einer Vielzahl von Mikroverschiebungselementen.
Zwölf (4 x 3 = 12) Ausleger 8, welche jeweils eine elastische Dünnschicht und eine piezoelektrische Dünnschicht mit einer Paar von Elektroden aufweisen, welche in den nachstehend erwähnten Schritten erzeugt werden, sind auf einem Si- (100)-Substrat 1 angeordnet, welches eine Größe von 6 mm x 6 mm und eine Dicke von 0,3 mm aufweist, und eine Sonde 6 zum Schreiben oder Lesen der Signale ist auf jedem Ausleger angeordnet. Mit Bezug auf die Größe jedes Auslegers beträgt dessen Breite 100 µm und dessen Länge 500 µm.
Das Herstellungsverfahren jedes der vorstehend erwähnten Ausleger wird mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Zuerst wurde eine Si&sub3;N&sub4;-Schicht mit einer Dicke von etwa 1500 Å (150 nm) als eine elastische Dünnschicht 2 auf einem Si-(100)-Substrat 1 (Dicke 0,3 mm) durch ein CVD-Verfahren erzeugt. In diesem Fall betrug der Elastizitätsmodul dieser Si&sub3;N&sub4;-Schicht 2 x 10¹¹ N/m². Das verwendete Gas war SiH&sub2;Cl&sub2;:NH&sub2; = 1:9, und die Schichterzeugungstemperatur betrug 800ºC. Danach wurde die elastische Dünnschicht 2 durch Fotolithografie und CF&sub4;- Trockenätzen in einer gewünschten Form strukturiert. Anschließend wurden eine Cr-Schicht von 50 Å (5 nm) Dicke und eine Au-Schicht von 1000 Å (100 nm) Dicke darauf erzeugt, um eine Unterelektrode 3 zu erzeugen. Das Strukturieren wurde dann durch Fotolithografie und Naßätzung ausgeführt. Anschließend wurde eine ZnO-Schicht von 3000 Å (300 nm) Dicke durch ein Sputterverfahren als eine piezoelektrische Dünnschicht 4 erzeugt. Dieses Sputtern wurde in einer O&sub2;-Atmosphäre unter Verwendung von gesintertem ZnO als ein Target ausgeführt. Ferner erfolgte das Strukturieren durch Fotolithografie und Naßätzung. Als nächstes wurden zweigeteilte Oberelektroden 5 in derselben Weise wie im Fall der Unterelektrode 3 erzeugt. Anschließend wurde eine W-Schicht als ein Elektrodenmaterial für eine Sonde ausgebildet, und eine Sonde 6 wurde dann durch Fotolithografie und einen Abhebeprozeß erzeugt. Daraufhin wurden die gewünschten Abschnitte des Si-Substrats 1 durch anisotropes Si-Ätzen mit KOH entfernt, um ein Mikroverschiebungselement zu erzeugen.
Die Verwerfung des auf diese Weise hergestellten Mikroverschiebungselements wurde auf der Grundlage des Höhenspalts zwischen der Spitze des freien Endes des Auslegers und dem Si-Substrat bestimmt. Die gemessenen Höhenspalte der 12 Ausleger waren im Bereich von ±1 µm.
Weiterhin veränderte sich die vorstehend erwähnte Verwerfung selbst in dem Temperaturbereich von 0 bis 60ºC nicht.
Anschließend wurde ein Wechselstrom, welcher eine solche Dreieckwelle aufwies, wie in Fig. 3A gezeigt ist, an einen der Ausleger der Mikroverschiebungselementmatrix angelegt. In diesem Fall betrug die Frequenz 500 Hz. Zu diesem Zeitpunkt war das Ansprechen des Auslegers wie in Fig. 3B gezeigt, und es wurde bestätigt, daß der Ausleger eine hervorragende Ansprechempfindlichkeit aufwies. Wie aus der Zeichnung deutlich wird, trat die Grundschwingung kaum auf.
Wurden weiterhin elektrische Felder mit unterschiedlichen Wellenformen getrennt an die zweigeteilten Oberelektroden 5 angelegt, konnte ein Antrieb bis etwa 100 Å (10 nm) in der Querrichtung erreicht werden.

Vergleichsbeispiel

Dasselbe Verfahren wie im Ausführungsbeispiel 1 wurde ausgeführt, mit der Ausnahme, daß die Anzahl der Schritte erhöht wurde, um ein Mikroverschiebungselement mit einem Doppelelement-Aufbau zu erzeugen, in welchem zwei piezoelektrische Dünnschichten mit einer zwischengeschichteten Mittelelektrode angeordnet waren. Zu diesem Zeitpunkt waren mit Bezug auf die Verwerfung die Höhenspalte zwischen den Spitzen der freien Enden der 12 Ausleger und dem Si-Substrat ±150 µm.
Ferner wurde eine solche Dreieckwelle, wie sie in Fig. 4A gezeigt ist, an einen der Ausleger mit dem Doppelelement- Aufbau (Frequenz 500 Hz) angelegt. In diesem Fall war das Ansprechen des Auslegers wie in Fig. 4B gezeigt ist. D. h., die Grundschwingung trat auf, und beim Beobachten eines Bilds unter Verwendung dieses Auslegers lag viel Rauschen vor, wodurch das genaue Beobachten des Bilds schwierig war.

Ausführungsbeispiel 2

Nachstehend wird das Ausführungsbeispiel 2 mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben. Nach dem Erzeugen einer elastischen Dünnschicht aus Si&sub3;N&sub4; in derselben Weise wie im Ausführungsbeispiel 1 wurden dann die zweigeteilten Unterelektroden 3 mit einer Cr-Schicht von 50 Å (5 nm) versehen, und dann wurde eine Au-Schicht von 1000 Å (100 nm) erzeugt. Anschließend wurde eine PbTiO&sub3;-Schicht von etwa 5000 Å (500 nm) durch ein Sputterverfahren ausgebildet. Das verwendete Target war ein PbTiO&sub3;-Sinterkörper, und das Sputtern wurde in einer (O&sub2; + Ar)-Atmosphäre ausgeführt, um eine piezoelektrische Dünnschicht 4 zu erzeugen. Danach wurde die Schicht durch Lithografie und Ätzung strukturiert, und Al wurde darauf aufgedampft, um zweigeteilte Oberelektroden 5 erzeugt. Anschließend wurde eine Pt-Schicht ausgebildet, und dann wurde eine Sonde 6 erzeugt.
Eine Einzelheit des Aufbaus, welche sich vom Ausführungsbeispiel 1 unterscheidet, besteht darin, daß sowohl die Ober- als auch die Unterelektrode in zwei Abschnitte unterteilt sind. Werden elektrische Felder mit unterschiedlichen Wellenformen an die zwei Paare von in Gegenüberlage befindlichen Elektroden angelegt, können nicht nur die Auf- und die Abwärtsbewegung, sondern es kann auch die Bewegung in der Ebene erreicht werden.

Ausführungsbeispiel 3

Dasselbe Verfahren wie im Ausführungsbeispiel 2 wurde abgearbeitet, mit der Ausnahme, daß Si&sub3;N&sub4; durch MgO als eine elastische Dünnschicht ersetzt wurde, daß PbTiO&sub3; durch ZnO als eine piezoelektrische Dünnschicht ersetzt wurde, und daß die Dicken der Dünnschichten beide 1 µm betrugen, um eine Mikroverschiebungselementmatrix zu erzeugen. Die Änderungsgröße der Verwerfung in diesem Mikroverschiebungselement war 100 ppm oder weniger in dem Bereich von -20ºC bis 60ºC.

Ausführungsbeispiel 4

Dasselbe Verfahren wie im Ausführungsbeispiel 2 wurde ausgeführt, mit der Ausnahme, daß Si&sub3;N&sub4; durch Mo als eine elastische Dünnschicht ersetzt wurde, daß PbTiO&sub3; durch AlN als eine piezoelektrische Dünnschicht ersetzt wurde, und daß die Dikken der Dünnschichten in beiden Fällen 5000 Å (500 nm) waren, um eine Mikroverschiebungselementmatrix zu erzeugen. Die Änderungsgröße der Verwerfung dieses Mikroverschiebungselements betrug in dem Bereich von -20ºC bis 60ºC 100 ppm oder weniger.

Ausführungsbeispiel 5

Dasselbe Verfahren wie im Ausführungsbeispiel 2 wurde ausgeführt, mit der Ausnahme, daß Si&sub3;N&sub4; durch Si ersetzt als eine piezoelektrische Dünnschicht verwendet wurde, und daß die Dicken der zwei Dünnschichten 3000 Å (300 nm) betrugen, um eine Mikroverschiebungselementmatrix zu erzeugen. Die Änderungsgröße der Verwerfung dieses Elements war im Bereich von -20ºC bis 60ºC 100 ppm oder weniger.

Ausführungsbeispiel 6

Eine Mikroverschiebungselementmatrix mit dreißig (5 x 6 = 30) Mikroverschiebungselementen, hergestellt wie im Ausführungsbeispiel 2, wurde an einer in Fig. 7 gezeigten Informationsverarbeitungsvorrichtung angeordnet.
Das Bezugszeichen 101 bezeichnet ein Substrat für ein Medium, 102 bezeichnet eine Elektrodenschicht aus Metall, und 103 ist eine Aufzeichnungsschicht. Ferner bezeichnet das Bezugszeichen 201 einen XY-Tisch, 202 bezeichnet eine Sonde des Mikroverschiebungselements, 203 ist eine Trageinrichtung für die Mikroverschiebungselementmatrix, 204 bezeichnet eine Linearantriebseinrichtung zum Antreiben der Mikroverschiebungselementmatrix in der Z-Achsenrichtung, 205 und 206 bezeichnen Linearantriebseinrichtungen zum Antreiben des XY- Tischs jeweils in die X- und die Y-Achsenrichtung, und das Bezugszeichen 207 bezeichnet eine Vorspannungsschalteinrichtung zum Aufzeichnen und Wiedergeben. Das Bezugszeichen 301 bezeichnet eine Tunnelstrom-Erfassungseinrichtung zum Aufzeichnen und Wiedergeben, welche einen von den Sondenelektroden durch die Aufzeichnungsschicht 103 zur Elektrodenschicht 102 fließenden Strom erfaßt. Das Bezugszeichen 302 bezeichnet eine Servoschalteinrichtung zum Bewegen der Ausleger in der Z-Achsenrichtung, und 303 ist eine Servoschalteinrichtung zum Ansteuern der Linearantriebseinrichtung 204. Das Bezugszeichen 304 bezeichnet eine Ansteuereinrichtung zum Bewegen der Vielzahl von Auslegern in der Z-Achsenrichtung, und 305 ist eine Ansteuereinrichtung zur Grobsteuerung des Abstands zwischen der Sonde und der Aufzeichnungsschicht. Das Bezugszeichen 306 bezeichnet einen Computer zum Steuern der vorstehend erwähnten Operation.
In dieser Ausführungsform war die Mikroverschiebungselementmatrix an dieser Informationsverarbeitungsvorrichtung angeordnet, und Cr/Au war auf das Glassubstrat als ein Aufzeichnungsmedium aufgedampft. Auf diesem Aufzeichnungsmedium wurde eine Polyimidschicht (etwa 15 Å [1,5 nm]) in vier Schichten erzeugt, und das somit erhaltene Produkt wurde verwendet. Eine Spannung von 1,5 V wurde an die Elektrode des Aufzeichnungsmediums und die Sonde der Mikroverschiebungselemente angelegt. Die piezoelektrischen Dünnschichten der Mikroverschiebungselemente wurden elektrischen Feldern ausgesetzt, um die Positionen der Sonden zu verschieben, so daß ein Tunnelstrom von etwa 10&supmin;&sup8; Å durch jede der Sonden der 30 Mikroverschiebungselemente fließen konnte. In diesem Fall waren die elektrischen Felder nahezu gleichmäßig, welche unabhängig gegenüber den 30 piezoelektrischen Dünnschichten zur Einwirkung gebracht wurden, und deren Abweichungen waren in dem Bereich von ±10 % oder weniger.
Wird ferner eine Impulsspannung an dieses Aufzeichnungsmedium angelegt, ändert sich der spezifische Widerstand des Aufzeichnungsmediums in charakteristischer Weise um etwa 2 Größenordnungen.
Danach wurde eine Impulsspannung (10 V) an die Sonden angelegt, und es erfolgte das Aufzeichnen der Information in einer gewünschten Position. In diesem Fall war der Bereich der Position sehr klein, d. h. etwa 100 Å x 100 Å (10 nm x 10 nm), in welcher die ultrahochdichte Aufzeichnung erfolgen konnte.
Anschließend wurde eine Spannung von 1,5 V zwischen der Sonde und der Elektrode des Aufzeichnungsmediums angelegt, um die Änderung des Tunnelstroms zu prüfen. Demzufolge wurde eine Änderung des Widerstandswerts in einer Aufzeichnungsposition erfaßt. In diesem Ausführungsbeispiel hat sich bestätigt, daß das Einschreiben und das Lesen der Information erreichbar sind.

Ausführungsbeisoiel 7

In diesem Ausführungsbeispiel wird auf die Ergebnisse eines Versuchs unter Anwendung der vorstehend erwähnten Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Vorrichtung als STM Bezug genommen.
Ein Aufzeichnungsmedium, welches ein zu beobachtendes Material war, wurde unter Verwendung der im Ausführungsbeispiel 6 beschriebenen Informationsverarbeitungsvorrichtung abgetastet, und eine Spannung wurde zwischen den Sondenelektroden 202 und dem zu beobachtenden Material angelegt, um die Ergebnisse der Tunnelstromwerte auszugeben, wobei ein STM-Bild erhalten wurde. In diesem Ausführungsbeispiel wurde ein Si- (100)-Substrat 1 als das zu beobachtende Material verwendet, um ein STM-Bild zu erzeugen. Demzufolge konnte das Bild in einem weiten Bereich des Si-Substrats in einer atomaren Größenordnung beobachtet werden, und in diesem Fall wurde ein beständiges Bild erhalten, welches kaum Rauschen aufwies.

Ausführungsbeispiel 8

Ein Ausleger wurde wie im Ausführungsbeispiel 1 hergestellt.
Zuerst wurde auf einem Si-(100)-Substrat 1 (Dicke: 0,3 mm) eine Acrylharzschicht als eine elastische Dünnschicht 2 mit einer Dicke von etwa 1 µm durch ein Beschichtungsverfahren erzeugt. Der Elastizitätsmodul dieses Acrylharzes betrug 2 x 10&sup7; N/m². Die elastische Dünnschicht 2 wurde dann entsprechend einer gewünschten Form durch Fotolithografie und Naßätzung strukturiert. Butylacetat wurde als ein Ätzmittel verwendet. Anschließend wurden Cr- und Au-Schichten der Dikke von jeweils 50 Å (5 nm) und 1000 Å (100 nm) erzeugt, gefolgt vom Strukturieren durch Fotolithografie und Naßätzung, wobei eine Unterelektrode 3 erzeugt wurde. Danach erfolgte das Erzeugen einer AlN-Schicht mit einer Dicke von 1 µm als eine piezoelektrische Dünnschicht 4 durch ein Sputterverfahren. Ein gesintertes AlN-Target wurde verwendet, und das Sputtern wurde in einer Ar-Atmosphäre ausgeführt. Die erzeugte Schicht wurde dann durch Fotolithografie und Naßätzung strukturiert. Anschließend wurde eine obere Elektrode 5 in derselben Weise wie die unteren Elektroden 3 erzeugt.
Als nächstes wurde eine Pt-Schicht als ein Elektrodenmaterial für die Sonde erzeugt, worauf die Fotolithografie und der Abhebeprozeß folgten, um eine Sonde 6 zu erzeugen. Danach wurden die gewünschten Abschnitte des Si-Substrats 1 durch anisotropes Ätzen des Si durch KOH entfernt, um die Herstellung der Mikroverschiebungselemente abzuschließen.
Das auf diese Weise erhaltene Mikroverschiebungselement wurde der Messung der Verschiebungseigenschaften unterzogen, und es wurde eine Eigenfrequenz von 15 kHz festgestellt. Der mechanische Gütefaktor Q bei einer Resonanzfrequenz war etwa 2.
Ein elastisches Material, ein Material mit niedriger Festigkeit, welches einen Elastizitätsmodul von 1 x 10&sup6; bis 5 x 10&sup8; N/m² aufweist, kann vorzugsweise verwendet werden, um weiter die Grundschwingung zu vermindern und die Ansprechempfindlichkeit zu erhöhen. Dies ist besonders wirkungsvoll beim Betreiben des Mikroverschiebungselements der vorliegenden Erfindung als ein STM.
Bei der STM-Operation wird der Tunnelstrom überwacht, und die STM-Sonde bewegt sich der Unregelmäßigkeit des Mediums folgend. Das Mikroverschiebungselement zum Bewegen der STM- Sonde sollte wünschenswert frei von Übersteuerung, Grundschwingung usw. sein.
Zu diesem Zweck kann eine elastische Dünnschicht mit niedrigem Elastizitätsmodul verwendet werden, um den mechanischen Gütefaktor Q zu vermindern. Dadurch ergibt sich ein Mikroverschiebungselement, welches überschwingungsfrei ist.
Fig. 8A bis 8C zeigen die Kennlinien der Mikroverschiebungsvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels. Eine Rechteckwellenspannung von 10 V und mit einer Impulsdauer von 10 ms, wie in Fig. 8A gezeigt ist, wurde an das Mikroverschiebungselement angelegt. Die Verschiebung (das Ansprechen) im Fall der Verwendung eines elastischen Materials, welches einen niedrigen Elastizitätsmodul aufweist, zeigt kein Überschwingen, wie in Fig. 8B gezeigt ist, während die Verschiebung im Fall der Verwendung eines elastischen Materials mit einem großen Elastizitätsmodul ein gewisses Uberschwingen an den Anstiegspunkten aufweist, wie in Fig. 8C gezeigt ist, und erfordert somit eine Zeitdauer zum Bestimmen der Position.
Wievorstehend beschrieben, wird durch Verwenden eines Materials, welches einen Elastizitätsmodul von 1 x 10&sup6; bis 5 x 10&sup8; N/m² aufweist, als ein elastisches Material, ein STM mit Hochgeschwindigkeits-Ansprechverhalten realisiert.
Wenn außerdem eine elastische Dünnschicht einen niedrigen Elastizitätsmodul aufweist, ist das Ausbilden der Krümmung durch Temperaturänderung ausschließbar, selbst wenn sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des piezoelektrischen Materials wesentlich von dem der elastischen Dünnschicht unterscheidet.
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Mikroverschiebungselement verwendet werden, in welchem eine Sonde zum Erfassen eines Tunnelstroms auf einem Ausleger angeordnet ist, welcher aufweist:
- ein Siliziumsubstrat und eine elastische Dünnschicht,
- ein Paar von Elektroden und eine piezoelektrische Dünnschicht, welche zwischen dem Paar von Elektroden auf dem Siliziumsubstrat angeordnet ist, wobei eine für eine Hochgeschwindigkeitsoperation geeignete Informationsverarbeitungsvorrichtung erzeugt werden kann, welche hervorragendes Temperaturverhalten sowie ausgezeichnete Ansprechempfindlichkeit und hohe Betriebszuverlässigkeit aufweist, und in welcher ein STM angewendet wird. Ferner kommt es in einer Mikroverschiebungselementmatrix mit einer Vielzahl von Sonden zu keinem Verwerfen der jeweiligen Ausleger, welche einen ebenen Zustand aufrechterhalten, daher steigt die Ausbeute, und eine Steuerwirkung nimmt ebenfalls zu.
Folglich sind in der Informationsverarbeitungsvorrichtung, in welcher ein STM Anwendung findet, die ultrahochdichte Aufzeichnuhg und Wiedergabe erreichbar, und eine kostengünstige Verarbeitungsvorrichtung kann geschaffen werden.

Claims

1. Mikroverschiebungselement, welches aufweist:

- einen Einelement-Ausleger mit einer piezoelektrischen Dünnschicht (4),

- ein Paar von Elektroden (3, 5), zwischen denen die piezoelektrische Dünnschicht (4) zwischengeschichtet ist, und

- eine elastische Dünnschicht (2), wobei ein Ende des Auslegers durch eine Trageinrichtung (1) gehalten wird und an dem anderen Ende eine Sonde (6) zum Eingeben und zum Ausgeben der Information angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastizitätsmodul der elastischen Dünnschicht (2) in dem Bereich von 1 x 10&sup6; bis 5 x 10&sup8; N/m² ist, wobei der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient (A) des Materials, welches die elastische Dünnschicht (2) bildet, und der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient (B) des Materials, welches die piezoelektrische Dünnschicht (4) bildet, die folgende Beziehung aufweisen:

(A - B)/A x 100 ≤ 50 %.

2. Mikroverschiebungselement gemäß Anspruch 1, wobei das die elastische Dünnschicht (2) bildende Material aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Magnesiumoxid, Molybdän und Silizium aufweist.

3. Mikroverschiebungselement gemäß Anspruch 1, wobei das die elastische Dünnschicht (2) bildende Material ein organisches Material ist.

4. Mikroverschiebungselement gemäß Anspruch 1, wobei das die piezoelektrische Dünnschicht (4) bildende Material aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Zinkoxid, Aluminiumnitrid und Zinktitanoxid aufweist.

5. Mikroverschiebungselementmatrix mit mindestens zwei der Mikroverschiebungselemente gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, welche in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind.

6. Tunnelrastermikroskop, welches aufweist:

- ein Mikroverschiebungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, welches so angeordnet ist, daß es sich in Gegenüberlage zu einem elektrischen Leiter befindet,

- eine Ansteuereinrichtung (304, 305) zum Ansteuern des Mikroverschiebungselements,

- eine Steuereinrichtung (306) zum Steuern der Ansteuereinrichtung,

- eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen dem elektrischen Leiter und der Sonde (202),

- eine Einrichtung (301) zum Erfassen eines Tunnelstroms, welcher zwischen dem elektrischen Leiter und der Sonde (202) fließt, und

- eine Einrichtung zum Ausgeben der Information im Hinblick auf die Oberfläche des elektrischen Leiters auf der Grundlage der Erfassung des Tunnelstroms.

7 Informationsverarbeitungsvorrichtung, welche aufweist:

- ein Mikroverschiebungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, welches so angeordnet ist, daß es sich in Gegenüberlage eines Aufzeichnungsmediums (103) befindet,

- eine Steuereinrichtung (306) zum Steuern der Ansteu- ereinrichtung (304, 305) und

- eine Einrichtung (207) zum Anlegen einer Informationsaufzeichnungs-Impulsspannung zwischen dem Aufzeichnungsmedium (103) und der Sonde (202).

8. Informationsverarbeitungsvorrichtung, welche aufweist:

- eine Steuereinrichtung (306) zum Steuern der Ansteuereinrichtung (304, 305) und

- eine Einrichtung (207) zum Anlegen einer Informationswiedergabe-Vorspannung zwischen dem Aufzeichnungsmedium (103) und der Sonde (202).

9. Informationsverarbeitungsvorrichtung, welche aufweist:

- eine Steuereinrichtung (306) zum Steuern der Ansteuereinrichtung,

- eine Einrichtung (207) zum Anlegen einer Informationsaufzeichnungs-Impulsspannung zwischen dem Aufzeichnungsmedium und der Sonde (103) und

10. Informationsverarbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 7, 8 oder 9, wobei das Aufzeichnungsmedium (103) einen elektrischen Memory-Effekt aufweist.

11. Informationsverarbeitungsvorrichtunggemäß Anspruch 7, 8 oder 9, wobei die Oberfläche des Aufzeichnungsmediums (103) nichtleitend ist.