JP3062967B2 - Cantilever actuator, scanning tunnel microscope and information processing apparatus using the same - Google Patents

Cantilever actuator, scanning tunnel microscope and information processing apparatus using the same

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JP3062967B2
JP3062967B2 JP3240228A JP24022891A JP3062967B2 JP 3062967 B2 JP3062967 B2 JP 3062967B2 JP 3240228 A JP3240228 A JP 3240228A JP 24022891 A JP24022891 A JP 24022891A JP 3062967 B2 JP3062967 B2 JP 3062967B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、片持ち梁り(カンチレ
バー)構造の変位素子(アクチュエータ)と、それらを
同一基板上へ複数配置した集積化アクチュエータ、個々
のアクチュエータに探針(プローブ)を取り付けたマル
チプローブ式の走査型トンネル顕微鏡、またそれらを応
用した情報の記憶再生等を行う情報処理装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a displacement element (actuator) having a cantilever structure, an integrated actuator having a plurality of these elements arranged on the same substrate, and a probe for each actuator. The present invention relates to an attached multi-probe scanning tunneling microscope, and an information processing apparatus that stores and reproduces information by applying the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡(以下STMと略
す)は、先鋭な導電性プローブを試料表面に数nm以下
に接近させた時に、その間の障壁を通り抜けて電流が流
れるトンネル効果を利用したものである。[G.Bin
nig et al.,Helvetica Phys
ica Acta,55,726(1982)、米国特
許第4343993号]。
2. Description of the Related Art A scanning tunneling microscope (hereinafter abbreviated as STM) utilizes a tunnel effect in which a current flows through a barrier therebetween when a sharp conductive probe is brought close to a sample surface to several nm or less. It is. [G. Bin
nig et al. , Helvetica Physs
ica Acta, 55, 726 (1982), US Patent No. 4,343,993].

【0003】このSTMの原理を応用して、高密度な情
報処理(記録再生)を行う装置が、特開昭63−161
552号公報,特開昭63−161553号公報等に提
案されている。これはSTMと同様のプローブを用い
て、プローブと記録媒体間にかかる電圧を変化させて記
録を行うものである。
A device for performing high-density information processing (recording / reproduction) by applying the principle of the STM is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 63-161.
552, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-161553. In this method, recording is performed by using a probe similar to the STM and changing the voltage applied between the probe and the recording medium.

【0004】従来、これらの記録再生装置に用いられて
いたプローブの形成手法としては、半導体製造プロセス
の技術を使い一つの基板上に微細な構造を作る加工技術
[K.E.Peterson“Silicon as
a MechanichalMaterial”,Pr
oceeding of the IEEE,70
(5),420−457(1982)]が知られてい
た。このような手法により構成したSTMが、特開昭6
1−206148号公報に提案されている。
Conventionally, as a method of forming a probe used in these recording / reproducing apparatuses, a processing technique for forming a fine structure on one substrate using a semiconductor manufacturing process technique [K. E. FIG. Peterson "Silicon as
a MechanicMaterial ", Pr
received of the IEEE, 70
(5), 420-457 (1982)]. The STM constructed by such a method is disclosed in
It has been proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-206148.

【0005】これは、単結晶シリコンを基板として、微
細加工によりXY方向に微動できる平行バネを形成し、
さらにその可動部にプローブを形成したカンチレバー部
を設け、カンチレバー部と底面部に電界を与えて静電力
により基板平面と直角な方向(Z方向とする)に変位す
るように構成されている。
[0005] In this method, a single crystal silicon substrate is used as a substrate to form parallel springs which can be finely moved in the X and Y directions by fine processing.
Further, a cantilever portion having a probe is provided on the movable portion, and an electric field is applied to the cantilever portion and the bottom portion to displace in a direction perpendicular to the plane of the substrate (Z direction) by electrostatic force.

【0006】また、カンチレバー部に酸化亜鉛(Zn
O)等の圧電性薄膜を用い、平行平板型電極により電圧
を印加し、圧電効果による変位を利用するものも提案さ
れている。
[0006] Zinc oxide (Zn) is added to the cantilever portion.
There has been proposed a device using a piezoelectric thin film such as O), applying a voltage by a parallel plate type electrode, and utilizing displacement caused by a piezoelectric effect.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では圧電体層が非常に薄いため小さな電圧で大きな
変位を発生させることができるが、特にSTMとして用
いる場合、変位量を微小に制御しようとすれば印加電圧
を非常に小さくする必要があった。このため、駆動用電
気回路として非常に低ノイズで高精度のものが必要であ
った。
However, in the above conventional example, a large displacement can be generated with a small voltage because the piezoelectric layer is very thin. In particular, when the piezoelectric layer is used as an STM, it is attempted to finely control the displacement amount. If so, it was necessary to make the applied voltage very low. For this reason, an extremely low-noise and high-precision electric circuit is required as the driving electric circuit.

【0008】そこで、本発明は比較的大きな変位を発生
させることができ、かつ、微小な変位量の調節もより正
確に行うことのできる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トンネル顕微鏡及び情報処理装
置を提供することを目的とする。
Accordingly, the present invention provides a cantilever type actuator capable of generating a relatively large displacement and capable of adjusting a minute displacement more accurately.
And a scanning tunnel microscope and an information processing apparatus using the same.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
するための本発明の構成は以下の通りである。
The structure of the present invention for achieving the above object is as follows.

【0010】第1に、薄膜圧電体と薄膜電極から構成さ
れる薄膜状のカンチレバー型アクチュエータにおいて、
2層の薄膜圧電体が3層の薄膜電極に挟れたバイモルフ
構造をなす部分を自由端側に、前記薄膜圧電体よりも厚
い1層の薄膜圧電体が2層の薄膜電極に挟れたモノモル
フ構造をなす部分を固定端側に設けて、長軸方向で分割
された圧電モルフ構造を有するカンチレバー型アクチュ
エータ、としている点にある。
First, in a thin-film cantilever-type actuator composed of a thin-film piezoelectric material and a thin-film electrode,
A portion forming a bimorph structure in which two thin-film piezoelectric members are sandwiched between three thin-film electrodes is located on the free end side, and one thin-film piezoelectric member thicker than the thin-film piezoelectric members is sandwiched between two thin-film electrodes. It is characterized in that a portion forming a monomorph structure is provided on the fixed end side to provide a cantilever type actuator having a piezoelectric morph structure divided in a long axis direction.

【0011】第2に、モノモルフ構造をなす部分の薄膜
電極の少なくとも一方が、バイモルフ構造を形成してい
る薄膜電極と電気的に独立である前述第1に記載のカン
チレバー型アクチュエータ、第3に、前記薄膜圧電体と
して、酸化亜鉛を用いた前述第1,第2記載のカンチレ
バー型アクチュエータ、第4に、カンチレバー部先端に
導電性の探針と、その引出し電極を設えた前述第1〜第
3いずれかに記載のカンチレバー型アクチュエータ、第
5に、前記モノモルフ構造とバイモルフ構造をなす薄膜
電極が、カンチレバー軸中心線を対称軸として2分割さ
れている前述第1〜第4いずれかに記載のカンチレバー
型アクチュエータ、第6に、前述第1〜第5いずれかに
記載のカンチレバー型アクチュエータが、同一のシリコ
ン単結晶基板上に複数配置されたカンチレバー型アクチ
ュエータ、としている点にある。
Secondly, the cantilever-type actuator according to the first aspect, wherein at least one of the thin-film electrodes forming the monomorph structure is electrically independent from the thin-film electrode forming the bimorph structure. The cantilever-type actuator according to the first or second embodiment, wherein zinc oxide is used as the thin-film piezoelectric body. Fourthly, the first to third cantilevers provided with a conductive probe at the tip of the cantilever portion and an extraction electrode therefor. Fifth, the cantilever-type actuator according to any one of the first to fourth aspects, wherein the thin-film electrode having the monomorph structure and the bimorph structure is divided into two with the center line of the cantilever axis as a symmetric axis. Sixth, the cantilever-type actuator according to any one of the first to fifth aspects is formed on the same silicon single crystal substrate. Lies in that the number arranged cantilever type actuator, the.

【0012】また、第7に、前述第1〜第6いずれかに
記載のカンチレバー型アクチュエータを有する走査型ト
ンネル顕微鏡、第8に、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、少な
くとも前述第1〜第6いずれかに記載のカンチレバー型
アクチュエータを有する情報処理装置、としている点に
ある。
Seventh, a scanning tunnel microscope having the cantilever type actuator according to any one of the first to sixth aspects, and eighth, information for recording and reproducing information on a recording medium using a tunnel current. In the processing device, the information processing device has at least the cantilever-type actuator according to any one of the first to sixth aspects.

【0013】すなわち、本発明によれば、薄膜電極によ
り薄膜圧電体を挟み込む構造を有するカンチレバー型ア
クチュエータにおいて、微小変位用電極を新たに設け、
それに挟まれる圧電体薄膜の厚さを他の部分より厚くす
ることにより、微小変位量の制御性をより向上させたも
のである。
That is, according to the present invention, in a cantilever type actuator having a structure in which a thin film piezoelectric material is sandwiched between thin film electrodes, a micro displacement electrode is newly provided,
By making the thickness of the piezoelectric thin film sandwiched therebetween larger than other portions, the controllability of the minute displacement amount is further improved.

【0014】つまり、比較的大きな変位量を発生させる
ことのできる従来の圧電体バイモルフ部分に加え、圧電
体の膜厚が厚いモノモルフ部分を加えることにより、同
一電圧を印加した場合の圧電体に加わる電界強度を小さ
くすることで、変位量が小さくなる効果を利用したもの
である。
That is, by adding a monomorph portion having a thick piezoelectric film in addition to a conventional piezoelectric bimorph portion capable of generating a relatively large displacement amount, the piezoelectric material is applied to the piezoelectric material when the same voltage is applied. This utilizes the effect of reducing the amount of displacement by reducing the electric field strength.

【0015】本発明では、更にこの部分をモノモルフ構
造とすることにより、同一電圧当りの変位量を更に微小
化し、STMに必要な数nmオーダーの微小変位の制御
性を向上させた。
In the present invention, by further forming this portion into a monomorph structure, the amount of displacement per the same voltage is further reduced, and the controllability of the small displacement on the order of several nm required for STM is improved.

【0016】また、本発明のアクチュエータの薄膜電極
を、カンチレバー中心線を挟んで左右対称に分割するこ
とにより、x,y,zの3軸方向へ微小変位可能とな
り、先端に探針を形成することにより、小型で高精度な
STM用プローブの実現が可能となった。
Further, by dividing the thin-film electrode of the actuator of the present invention symmetrically with respect to the center line of the cantilever, the thin-film electrode can be displaced minutely in the three axes of x, y, and z to form a probe at the tip. This has made it possible to realize a small and highly accurate STM probe.

【0017】また、同一基板上へ複数集積化すること
で、マルチプローブを有する小型で高精度なSTMシス
テムを構築することができ、基板としてSi単結晶を用
いることにより、トランジスタやダイオード等半導体素
子も同時に集積することが可能となった。
In addition, a small and highly accurate STM system having a multi-probe can be constructed by integrating a plurality of semiconductor devices on the same substrate. Can be integrated at the same time.

【0018】更に、STMの観察対象として、電圧印加
により状態の変化する媒体を用いることにより、大容量
高密度の記録再生等が可能な情報処理装置を提供するこ
とが可能となった。
Further, by using a medium whose state changes by applying a voltage as an object to be observed by the STM, it is possible to provide an information processing apparatus capable of high-capacity, high-density recording and reproduction.

【0019】[0019]

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。Embodiments of the present invention will be described below.

【0020】(実施例1)図1は本発明の特徴を最もよ
く表す構成図であり、図1(b)は図1(a)中のA−
A面における断面図である。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a configuration diagram best showing the features of the present invention, and FIG.
It is sectional drawing in A side.

【0021】本図において、1は基板であり、2は下部
電極、3aは下部圧電体、3bは上部圧電体、4は中間
電極、5は上部電極、6は微小変位用電極である。
In this figure, 1 is a substrate, 2 is a lower electrode, 3a is a lower piezoelectric body, 3b is an upper piezoelectric body, 4 is an intermediate electrode, 5 is an upper electrode, and 6 is an electrode for minute displacement.

【0022】ここで、圧電体層3a,3bは、分極軸が
7の矢印に示す方向に配向して形成されており、電圧印
加により伸長または収縮させることができる。また、そ
れぞれの電極2,4,5,6は、基板1上へ個別に引出
されており、この部分を通して電圧印加が出来るように
なっている。
Here, the piezoelectric layers 3a and 3b are formed with their polarization axes oriented in the direction indicated by the arrow 7, and can be expanded or contracted by applying a voltage. The electrodes 2, 4, 5, and 6 are individually drawn out onto the substrate 1, and a voltage can be applied through these portions.

【0023】図1(b)を用いて、本実施例に係るカン
チレバー型アクチュエータの作動原理を示す。下部電極
2と上部電極5を接地状態とし、中間電極4に負の電圧
を印加すると、圧電体3aには分極方向と同方向の電界
が、圧電体3bには逆方向の電界が加わる。このため、
圧電体3aはd31(圧電定数)で規定される圧電効果に
より電界と垂直方向に収縮し、圧電体3bは電界と垂直
方向に伸長する。従って、バイモルフ構造を成すカンチ
レバー部10aが下側に屈曲変位する。尚、印加電圧の
大きさを変えることにより、カンチレバー部の変位量を
変化させることができる。また、印加電圧の符合を反転
させることにより、上側に屈曲させることも可能であ
る。
FIG. 1B shows the operation principle of the cantilever type actuator according to this embodiment. When the lower electrode 2 and the upper electrode 5 are grounded and a negative voltage is applied to the intermediate electrode 4, an electric field in the same direction as the polarization direction is applied to the piezoelectric body 3a, and an electric field in the opposite direction is applied to the piezoelectric body 3b. For this reason,
The piezoelectric body 3a contracts in the direction perpendicular to the electric field due to the piezoelectric effect defined by d 31 (piezoelectric constant), and the piezoelectric body 3b expands in the direction perpendicular to the electric field. Accordingly, the cantilever portion 10a having the bimorph structure is bent and displaced downward. The displacement of the cantilever can be changed by changing the magnitude of the applied voltage. It is also possible to bend upward by inverting the sign of the applied voltage.

【0024】次に、微小変位用電極6に電圧を印加した
場合、接地状態の下部電極2との間に電界を生ずるが圧
電体3aと3bが2層重なっているため、前記と同じ電
圧を印加した場合の電界強度は前記の1/2となり、d
31の圧電効果による変位量も半分となる。この時、微小
変位用電極6の厚さを下部電極2と異るようにしておく
か、異るヤング率を有する材料で形成することにより、
モノモルフ構造を成すカンチレバー部10bに屈曲変位
を発生させることができる。
Next, when a voltage is applied to the micro-displacement electrode 6, an electric field is generated between the electrode and the lower electrode 2 in a grounded state. However, since the piezoelectric bodies 3a and 3b are overlapped by two layers, the same voltage as described above is applied. The electric field strength when applied is の of the above, and d
The amount of displacement due to the piezoelectric effect of 31 is also halved. At this time, the thickness of the electrode 6 for minute displacement is made different from that of the lower electrode 2, or by forming the electrode 6 from a material having a different Young's modulus.
A bending displacement can be generated in the cantilever portion 10b having a monomorph structure.

【0025】即ち、電極部分を厚さ方向で非対称とする
ことにより、d31の圧電効果による歪を屈曲変位に変換
することができる。
[0025] That is, by asymmetric electrode portions in the thickness direction, it is possible to convert the distortion by the piezoelectric effect of d 31 to the bending displacement.

【0026】カンチレバー部10bで発生する屈曲変位
量は、印加電圧を同じにした場合カンチレバー部10a
よりも小さくなり、その比率は微小変位用電極6の厚
さ、ヤング率、及びカンチレバー部10bの長さにより
変化させることができる。
The amount of bending displacement generated in the cantilever portion 10b is the same as that of the cantilever portion 10a when the applied voltage is the same.
The ratio can be changed by the thickness of the micro displacement electrode 6, the Young's modulus, and the length of the cantilever portion 10b.

【0027】以上説明したように、カンチレバー部を電
極,圧電体の積層構造を異にする2つの部分より構成す
ることにより、大きな変位と微小変位量調節を、駆動電
圧を余り小さくすることなく実現できる。
As described above, by forming the cantilever portion from the two portions having different laminated structures of the electrode and the piezoelectric body, a large displacement and a small displacement can be adjusted without reducing the driving voltage. it can.

【0028】次に、図2を用いて本実施例に係るカンチ
レバー型アクチュエータの製造方法の一例を説明する。
Next, an example of a method of manufacturing the cantilever type actuator according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

【0029】先ず面方位(100)の単結晶シリコン基
板1上へ、減圧CVD法によりSi34 膜を1500
Å成膜し、保護膜8を形成する。次に、密着性確保のた
めCrを5〜10Å真空蒸着したのちAuを1000Å
蒸着し、さらに金属薄膜を形成したのち感光性レジスト
を塗布して一般的なフォトリソグラフにより不用部のA
u/Crをエッチング除去し、下部電極2を形成する
(図2(a)参照)。
First, an Si 3 N 4 film is deposited on a single-crystal silicon substrate 1 having a plane orientation of (100) by a low pressure CVD method for 1500 times.
(4) A protective film 8 is formed by forming a film. Next, in order to secure adhesion, Cr is vacuum-deposited at 5 to 10 [deg.], And Au is deposited at 1000 [deg.].
After vapor deposition and further forming a metal thin film, a photosensitive resist is applied, and the unnecessary portion A
The u / Cr is removed by etching to form the lower electrode 2 (see FIG. 2A).

【0030】次に、その上にスパッタ蒸着法によりZn
Oを3000Å形成し、圧電体3aを形成する。この
時、スパッタ蒸着の条件を適切に調制することで、圧電
分極方向の結晶C軸を容易に配向させることができる
(図2(b)参照)。
Next, Zn is deposited thereon by sputtering deposition.
O is formed at 3000 ° to form the piezoelectric body 3a. At this time, the crystal C-axis in the piezoelectric polarization direction can be easily oriented by appropriately adjusting the conditions of the sputter deposition (see FIG. 2B).

【0031】次に、圧電体3aの上に再び真空蒸着によ
りAuを1000Å成膜する。その後、感光性レジスト
を塗布し、フォトリソグラフを行い不用部分をエッチン
グにより除去し、所定の形状の中間電極4を形成する
(図2(c)参照)。
Next, Au is deposited again on the piezoelectric body 3a by vacuum evaporation to a thickness of 1000 °. Thereafter, a photosensitive resist is applied, photolithography is performed, and unnecessary portions are removed by etching, thereby forming an intermediate electrode 4 having a predetermined shape (see FIG. 2C).

【0032】次に、図2(b)の工程と同様に、スパッ
タ蒸着法によりZnOを3000Å形成し、圧電体3b
を形成する。この上に感光性レジストを塗布し、パター
ンニングを行いエッチングにて不用部分のZnOを除去
する(図2(d)参照)。
Next, in the same manner as in the step of FIG.
To form A photosensitive resist is applied thereon, patterning is performed, and unnecessary portions of ZnO are removed by etching (see FIG. 2D).

【0033】再びAuを1000Å成膜し、フォトリソ
グラフによりパターンニングを行い、上部電極5を形成
する。次に、一般的にリフトオフ法と呼ばれる手法を用
いて、微小変位用電極6を形成する。即ち、感光性レジ
ストを塗布し、電極6を形成する部分のみレジストを除
去し、圧電体3bを露出させる。この状態でAlの蒸着
を行い、Alを6000Å形成する。この後、レジスト
を溶剤により除去することにより、レジスト上へ成膜さ
れたAlは除去され、微小変位用電極6が形成される
(図2(e)参照)。
A film of Au is again formed to a thickness of 1000 ° and patterning is performed by photolithography to form the upper electrode 5. Next, the electrode 6 for minute displacement is formed using a technique generally called a lift-off method. That is, a photosensitive resist is applied, and the resist is removed only at a portion where the electrode 6 is to be formed, exposing the piezoelectric body 3b. In this state, Al is deposited to form 6000 ° of Al. Thereafter, by removing the resist with a solvent, the Al film formed on the resist is removed, and the minute displacement electrode 6 is formed (see FIG. 2E).

【0034】次に、Si単結晶基板1の裏面より、面方
位によりエッチング速度の大きく異ることを利用した異
方性エッチングを行い、Si34 の位置までSiを除
去する。次に、反応性イオンエッグによりSi34
を取り除き、カンチレバー部10a,10bを形成する
(図2(f)参照)。
Next, anisotropic etching is performed from the back surface of the Si single crystal substrate 1 utilizing the fact that the etching rate greatly varies depending on the plane orientation, to remove Si up to the position of Si 3 N 4 . Next, the Si 3 N 4 film is removed by the reactive ion egg, and the cantilevers 10a and 10b are formed (see FIG. 2F).

【0035】ここで、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:I2 水溶液、Crに対
しては(NH42Ce(NO36 ;HClO4 水溶
液、ZnOに対しては酢酸水溶液を用いた。また、Si
の異方性エッチングにはKOH水溶液を用い、反応性イ
オンエッチングにはCF4 ガスを用いた。なお、電極と
して使用した金属はこれら限定されるものではなく、適
当なエッチング液との組み合せにより他の物質を用いる
ことも可能である。
Here, the etching solution used in the photolithography is a KI: I 2 aqueous solution for Au, (NH 4 ) 2 Ce (NO 3 ) 6 for Cr; an aqueous solution of HClO 4 , for ZnO An aqueous acetic acid solution was used. In addition, Si
A KOH aqueous solution was used for anisotropic etching, and CF 4 gas was used for reactive ion etching. The metal used as the electrode is not limited to these, and other substances can be used in combination with an appropriate etching solution.

【0036】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駆動特性の一例を示
す。
The following is an example of the dimensions and driving characteristics of each part of the cantilever type actuator manufactured in this embodiment.

【0037】カンチレバー部10aの長さ 400μ
m,幅 50μm カンチレバー部10bの長さ 100μm,幅 50μ
m カンチレバー部10a,10bへの印加電圧 ±3V とした時の先端部の振幅は、 カンチレバー部10aのみ変化させた場合 ±2μm、 カンチレバー部10bのみ変化させた場合 ±0.05
μm となり、同じ印加電圧範囲で1/40の微調制が可能と
なった。
The length of the cantilever portion 10a is 400 μm.
m, width 50 μm, length 100 μm, width 50 μ of cantilever portion 10 b
m When the applied voltage to the cantilever portions 10a and 10b is ± 3 V, the amplitude at the tip is ± 2 μm when only the cantilever portion 10a is changed, and ± 0.05 when only the cantilever portion 10b is changed.
μm, and fine adjustment of 1/40 was possible in the same applied voltage range.

【0038】このことにより、本発明を用いたカンチレ
バー型アクチュエータは、従来のものに比べ位置決め精
度を大きく向上させることが可能となった。
As a result, the positioning accuracy of the cantilever type actuator using the present invention can be greatly improved as compared with the conventional one.

【0039】(実施例2)図3に本発明の第2の実施例
を示す。図3(b),(c)は図3(a)中のA−A
面,B−B面における断面図である。本実施例では、実
施例1の構成に加えて、圧電体3b上に新たに11の引
出し電極とカンチレバー部10aの先端部に引出し電極
11と接するように12の探針を形成した。更に、中間
電極,上部電極及び微小変位用電極は、引出し電極11
を挟んで対称の位置に分割し、それぞれ下部電極2a,
2b、中間電極4a,4b、上部電極5a,5b、微小
変位用電極6a,6bとした。このように電極を分割す
ることにより、実施例1で示したZ軸方向の変位に加え
て、カンチレバー面と平行方向の変位を発生させること
が可能となり、x,y,zの3軸方向へ微小変位可能な
アクチュエータを作製することができる。
(Embodiment 2) FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention. FIGS. 3B and 3C are AA in FIG. 3A.
It is sectional drawing in a BB plane. In the present embodiment, in addition to the structure of the first embodiment, eleven new extraction electrodes are formed on the piezoelectric body 3b and twelve probes are formed at the tip of the cantilever portion 10a so as to be in contact with the extraction electrode 11. Further, the intermediate electrode, the upper electrode and the electrode for minute displacement are connected to the extraction electrode 11.
Are divided into symmetrical positions with the lower electrode 2a,
2b, intermediate electrodes 4a and 4b, upper electrodes 5a and 5b, and electrodes 6a and 6b for minute displacement. By dividing the electrodes in this manner, in addition to the displacement in the Z-axis direction shown in the first embodiment, a displacement in a direction parallel to the cantilever surface can be generated. An actuator capable of minute displacement can be manufactured.

【0040】かかるアクチュエータの製造は、実施例1
で示した作製法において、フォトリソグラフを行う際の
フォトマスクのパターンを変更するだけで良い。
The manufacture of such an actuator is described in Example 1.
In the manufacturing method shown by, it is only necessary to change the pattern of the photomask when performing photolithography.

【0041】また、先端部に設けた探針12は、高さが
3μmである。これは、上部電極5a,5b形成の後、
フォトレジストを5μm塗布し、探針12を形成する位
置のみレジストを除去し、斜め方向よりの蒸着と基板回
転を組み合せた方法により形成した。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。
The probe 12 provided at the tip has a height of 3 μm. This is because after the formation of the upper electrodes 5a and 5b,
A photoresist was applied to a thickness of 5 μm, the resist was removed only at the position where the probe 12 was to be formed, and the photoresist was formed by a method combining evaporation in a diagonal direction and substrate rotation. This method is known as a method for forming a microstructure having a high aspect ratio.

【0042】このように、導電性の探針12を先端部に
設けることにより、本発明によるカンチレバー型アクチ
ュエータを走査型トンネル電子顕微鏡(以下STMと略
す)のプローブとして用いることができる。即ち、各電
極に所定の駆動電圧を印加し、カンチレバー部10a,
10bを屈曲変位させ、探針12を観察対象の表面へ接
近させる。表面が導電性を持つ場合、探針12と表面と
の距離が数nm程度まで近づくと、探針12と表面との
間にトンネル電流が流れる。このトンネル電流は、探針
12の先端と表面との距離により指数関数的に変化する
ため、引出し電極11を通してこのトンネル電流を取り
出して増幅を行い、カンチレバー部の駆動電圧にフィー
ドバックをかけることにより、探針12の先端と表面ま
での距離を一定に保つことができる。この様な状態でカ
ンチレバー部をx,y方向に微小に変位させることによ
り、フィードバック電圧の変化により極微小表面の凹凸
を観察することが可能である。また、本発明による微小
変位用電極6a,6bを用いることにより、より高い分
解能のSTM装置を実現することができる。
By providing the conductive probe 12 at the tip, the cantilever-type actuator according to the present invention can be used as a probe of a scanning tunneling electron microscope (hereinafter abbreviated as STM). That is, a predetermined drive voltage is applied to each electrode, and the cantilever portions 10a,
The probe 10b is bent and displaced so that the probe 12 approaches the surface of the observation target. When the surface has conductivity, a tunnel current flows between the probe 12 and the surface when the distance between the probe 12 and the surface approaches a few nm. Since this tunnel current changes exponentially according to the distance between the tip of the probe 12 and the surface, the tunnel current is extracted through the extraction electrode 11, amplified, and fed back to the drive voltage of the cantilever portion. The distance between the tip of the probe 12 and the surface can be kept constant. By slightly displacing the cantilever portion in the x and y directions in such a state, it is possible to observe irregularities on the very minute surface due to a change in the feedback voltage. Further, by using the minute displacement electrodes 6a and 6b according to the present invention, an STM device with higher resolution can be realized.

【0043】(実施例3)図4及び図5に、本発明の第
3の実施例を示す。実施例2において説明した探針12
を有するカンチレバー型アクチュエータを、同一のシリ
コン基板1上に複数個作製し、集積化アクチュエータ2
0を作製したものである。
(Embodiment 3) FIGS. 4 and 5 show a third embodiment of the present invention. Probe 12 described in Embodiment 2
A plurality of cantilever-type actuators each having
0 is produced.

【0044】かかる集積化アクチュエータは、前述実施
例1,2で説明した作製方法において、フォトリソグラ
フのパターンを拡張するだけでよい。このように、同一
の基板上へ複数のカンチレバーを同時に形成できるた
め、寸法精度が非常に高く、各カンチレバー間の特性の
ばらつきも非常に小さく抑えることができる。
In such an integrated actuator, it is only necessary to extend the photolithographic pattern in the manufacturing method described in the first and second embodiments. As described above, since a plurality of cantilevers can be simultaneously formed on the same substrate, the dimensional accuracy is extremely high, and the variation in characteristics among the cantilevers can be extremely suppressed.

【0045】また、基板としてSi単結晶を用いること
により、トランジスタやダイオード等の半導体素子も同
一基板上へ集積化することが可能となり、トンネル電流
増幅やカンチレバー駆動用のアンプを一体化することが
できる。
Also, by using a single crystal of Si as a substrate, semiconductor elements such as transistors and diodes can be integrated on the same substrate, and an amplifier for tunnel current amplification and cantilever driving can be integrated. it can.

【0046】図5は本実施例の集積化アクチュエータを
用いたSTM装置を模式的に示した図である。これによ
り、集積化アクチュエータ20を用い、観察対象22の
表面上の複数の微小領域のSTM像を同時に観察するこ
とができる。同図において21及び23はx,y,z方
向に 粗動機構を有する可動ステージであり、可動ステ
ージ21には集積化アクチュエータ20が固定され、可
動ステージ23には観察対象22が固定されている。
FIG. 5 is a diagram schematically showing an STM device using the integrated actuator of this embodiment. Thus, the STM images of a plurality of minute regions on the surface of the observation target 22 can be simultaneously observed using the integrated actuator 20. In the figure, reference numerals 21 and 23 denote movable stages having coarse movement mechanisms in the x, y, and z directions. An integrated actuator 20 is fixed to the movable stage 21, and an observation target 22 is fixed to the movable stage 23. .

【0047】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。
The following is an example of the dimensions of the integrated actuator manufactured in this embodiment.

【0048】集積化アクチュエータ20の外径…40×
40×1mm カンチレバーの本数 …90本 各カンチレバーの長さ …500μm 各カンチレバーの幅 …50μm 探針12の高さ …3μm (実施例4)図6に実施例3で説明した集積化アクチュ
エータを用いた、情報の記録・再生等を行える情報処理
装置の模式図を示す。
Outer diameter of integrated actuator 20: 40 ×
40 × 1 mm Number of cantilevers 9090 Length of each cantilever 500500 μm Width of each cantilever 5050 μm Height of probe 12 33 μm (Example 4) The integrated actuator described in Example 3 in FIG. 6 was used. 1 is a schematic diagram of an information processing apparatus capable of recording and reproducing information.

【0049】同図において、103は電圧印加により抵
抗値が変化する記録層、102は金属電極層、101は
記録媒体基板である。201はXYステージ、202は
本発明による集積化アクチュエータ、203は集積化ア
クチュエータの支持体、204は集積化アクチュエータ
をZ方向へ粗動するためのリニアアクチュエータ、20
5,206はXYステージをそれぞれX,Y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はトンネル電流検出器、302
は集積化アクチュエータをZ軸方向に移動させるための
サーボ回路であり、303はアクチュエータ204を駆
動するためのサーボ回路である。304は個々のカンチ
レバーを微小変位させるための駆動回路であり、305
はXYステージの位置制御を行う駆動回路である。30
6はこれらの操作を制御するコンピュータである。
In the figure, reference numeral 103 denotes a recording layer whose resistance changes when a voltage is applied, 102 denotes a metal electrode layer, and 101 denotes a recording medium substrate. 201 is an XY stage, 202 is an integrated actuator according to the present invention, 203 is a support for the integrated actuator, 204 is a linear actuator for coarsely moving the integrated actuator in the Z direction, 20
Reference numerals 5 and 206 denote linear actuators for driving the XY stage in the X and Y directions, respectively, and reference numeral 207 denotes a bias circuit for recording and reproduction. 301 is a tunnel current detector, 302
, A servo circuit for moving the integrated actuator in the Z-axis direction; and 303, a servo circuit for driving the actuator 204. Reference numeral 304 denotes a drive circuit for minutely displacing the individual cantilevers.
Is a drive circuit for controlling the position of the XY stage. 30
A computer 6 controls these operations.

【0050】このようなシステム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となり、ま
たプローブを多数集積化し、それらを同時に走査するた
め、高速度の記録再生を行うことができる。
By using such a system,
Since a large amount of information can be recorded at a high density, and a large number of probes are integrated and scanned simultaneously, high-speed recording and reproduction can be performed.

【0051】このようなシステムに本発明の微小変位用
電極を設けることにより、個々のプローブの分解能が向
上し、記録再生時のトラッキング性能が向上し、書込
み、読取り時のエラーの発生率を小さくすることができ
る。
By providing the electrode for minute displacement of the present invention in such a system, the resolution of each probe is improved, the tracking performance at the time of recording and reproduction is improved, and the error rate at the time of writing and reading is reduced. can do.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上説明したように、薄膜圧電体と平行
平板状の薄膜電極を有するカンチレバー型アクチュエー
タにおいて、圧電体の厚さを大きくした部分を一部設
け、この部分に微小変位用電極を配することにより、同
一電圧での変位量が微小となった。これにより、微小変
位量の調節を、従来よりも大きな電圧範囲で行うことが
可能となり、電気的ノイズ等の影響を受けにくくなり、
微小変位の制御性が大きく向上した。
As described above, in a cantilever type actuator having a thin-film piezoelectric material and a thin film electrode in a parallel plate shape, a portion where the thickness of the piezoelectric material is increased is provided partially, and an electrode for minute displacement is provided in this portion. By arranging, the amount of displacement at the same voltage became very small. This makes it possible to adjust the minute displacement in a voltage range larger than before, making it less susceptible to electrical noise and the like.
The controllability of minute displacement has been greatly improved.

【0053】本発明により、STMの解像度、高密度の
記録再生等の諸性能を大きく向上させることができる。
According to the present invention, various performances such as STM resolution and high-density recording / reproduction can be greatly improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例1にて示すカンチレバー型アクチュエー
タの構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a cantilever type actuator shown in a first embodiment.

【図2】実施例1にて示すカンチレバー型アクチュエー
タの製造工程図である。
FIG. 2 is a manufacturing process diagram of the cantilever type actuator shown in the first embodiment.

【図3】実施例2にて示すカンチレバー型アクチュエー
タの構成図である。
FIG. 3 is a configuration diagram of a cantilever type actuator shown in a second embodiment.

【図4】実施例3にて示す集積化したカンチレバー型ア
クチュエータの構成図である。
FIG. 4 is a configuration diagram of an integrated cantilever actuator shown in a third embodiment.

【図5】実施例3にて示す集積化アクチュエータを用い
た走査型トンネル顕微鏡の部分断面図である。
FIG. 5 is a partial cross-sectional view of a scanning tunnel microscope using the integrated actuator described in the third embodiment.

【図6】実施例4にて示す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。
FIG. 6 is a block diagram of an information processing apparatus using an integrated actuator according to a fourth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2,2a,2b 下部電極 3,3a,3b 圧電体 4,4a,4b 中間電極 5,5a,5b 上部電極 6,6a,6b 微小変位用電極 7 分極方位矢印 8 保護層 10a バイモルフ構造カンチレバー部 10b モノモルフ構造カンチレバー部 11 引出し電極 12 探針 20 集積化アクチュエータ 21 可動ステージ 22 観察対象 23 可動ステージ 101 記録媒体基板 102 金属電極層 103 記録層 201 XYステージ 202 集積化アクチュエータ 203 支持体 204 Z方向リニアアクチュエータ 205 X方向リニアアクチュエータ 206 Y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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2, 2a, 2b Lower electrode 3, 3a, 3b Piezoelectric 4, 4a, 4b Intermediate electrode 5, 5a, 5b Upper electrode 6, 6a, 6b Micro displacement electrode 7 Polarization direction arrow 8 Protective layer 10a Bimorph structure cantilever Unit 10b monomorph structure cantilever unit 11 extraction electrode 12 probe 20 integrated actuator 21 movable stage 22 observation target 23 movable stage 101 recording medium substrate 102 metal electrode layer 103 recording layer 201 XY stage 202 integrated actuator 203 support 204 linear in Z direction Actuator 205 X-direction linear actuator 206 Y-direction linear actuator 207 Recording / playback bias circuit 301 Tunnel current detector 302 Servo circuit 303 Servo circuit 304 Cantilever drive circuit 305 Drive circuit 3 6 computer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特表 平3−503463(JP,A) 特表 平3−503586(JP,A) 特表 平3−504762(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 13/10 - 13/24 G01B 7/34 G01B 21/30 H01J 37/28 G11B 9/00 H01L 41/00 - 41/26 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (56) References Special Table Hei 3-503463 (JP, A) Special Table Hei 3-503586 (JP, A) Special Table Hei 3-504762 (JP, A) (58) Survey Field (Int.Cl. 7 , DB name) G01N 13/10-13/24 G01B 7/34 G01B 21/30 H01J 37/28 G11B 9/00 H01L 41/00-41/26 JICST file (JOIS)

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 薄膜圧電体と薄膜電極から構成される薄
膜アクチュエータにおいて、2層の薄膜圧電体が3層の
薄膜電極に挟れたバイモルフ構造をなす部分を自由端側
に、前記薄膜圧電体よりも厚い1層の薄膜圧電体が2層
の薄膜電極に挟れたモノモルフ構造をなす部分を固定端
側に設けて、長軸方向で分割された圧電モルフ構造を有
することを特徴とするカンチレバー型アクチュエータ。
1. A thin-film actuator comprising a thin-film piezoelectric body and a thin-film electrode, wherein a portion forming a bimorph structure in which two layers of thin-film piezoelectric bodies are sandwiched between three-layer thin-film electrodes is located on the free end side, A cantilever having a piezoelectric morph structure divided in the longitudinal direction by providing a portion forming a monomorph structure in which a thicker one-layer thin film piezoelectric material is sandwiched between two layers of thin film electrodes on a fixed end side. Type actuator.
【請求項2】 モノモルフ構造をなす部分の薄膜電極の
少なくとも一方が、バイモルフ構造を形成している薄膜
電極と電気的に独立であることを特徴とする請求項1記
載のカンチレバー型アクチュエータ。
2. The cantilever-type actuator according to claim 1, wherein at least one of the thin-film electrodes forming the monomorph structure is electrically independent from the thin-film electrodes forming the bimorph structure.
【請求項3】 薄膜圧電体として、酸化亜鉛を用いたこ
とを特徴とする請求項1又は2記載のカンチレバー型ア
クチュエータ。
3. The cantilever type actuator according to claim 1, wherein zinc oxide is used as the thin film piezoelectric body.
【請求項4】 カンチレバー部先端に導電性の探針と、
その引出し電極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。
4. A conductive probe at a tip of a cantilever portion,
The extraction electrode is provided.
The cantilever type actuator according to any one of the above.
【請求項5】 モノモルフ構造とバイモルフ構造を成す
薄膜電極が、カンチレバー軸中心線を対称軸として2分
割されてい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。
5. The cantilever-type actuator according to claim 1, wherein the thin-film electrode having a monomorph structure and a bimorph structure is divided into two with the center line of the cantilever axis as a symmetry axis.
【請求項6】 請求項1〜5いずれかに記載のカンチレ
バー型アクチュエータが、同一のシリコン単結晶基板上
に複数配置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。
6. A cantilever-type actuator according to claim 1, wherein a plurality of cantilever-type actuators according to claim 1 are arranged on the same silicon single crystal substrate.
【請求項7】 請求項1〜6いずれかに記載のカンチレ
バー型アクチュエータを有することを特徴とする走査型
トンネル電子顕微鏡。
7. A scanning tunneling electron microscope comprising the cantilever-type actuator according to claim 1.
【請求項8】 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、少なくとも請
求項1〜6いずれかに記載のカンチレバー型アクチュエ
ータを有することを特徴とする情報処理装置。
8. An information processing apparatus for recording / reproducing information on / from a recording medium using a tunnel current, comprising at least the cantilever-type actuator according to any one of claims 1 to 6.
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