JP3203433B2 - Displacement element, detection element using the same, scanning tunnel microscope using the detection element, information processing apparatus - Google Patents
Displacement element, detection element using the same, scanning tunnel microscope using the detection element, information processing apparatusInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
（以下、「ＳＴＭ」と記す）、原子間力顕微鏡（以下、
「ＡＦＭ」と記す）に用いる変位素子及び該変位素子に
プローブを備えた検出素子及び、かかる検出素子を用い
たＳＴＭに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning tunneling microscope (hereinafter referred to as "STM") and an atomic force microscope (hereinafter referred to as "STM").
Referred to as "AFM") detector elements and with a probe displacement element and displacement element is used to relate the ST M using such detection device.
【０００２】さらに本発明は、ＳＴＭの手法により情報
の記録、再生及び消去等を行う、上記検出素子を備えた
高密度大容量の情報処理装置に関する。[0002] The present invention further relates to a high-density and large-capacity information processing apparatus provided with the above-mentioned detecting element, which records, reproduces and erases information by the STM method.
【０００３】[0003]
【従来の技術】近年半導体プロセス技術を背景にして半
導体を機械的構造体として用いた半導体圧力センサー、
半導体加速度センサー、マイクロアクチュエーター等の
機械的電気素子（マイクロメカニクス）が脚光を浴びる
ようになってきた。2. Description of the Related Art Recently, a semiconductor pressure sensor using a semiconductor as a mechanical structure against the background of semiconductor process technology,
Mechanical electric elements (micromechanics) such as semiconductor acceleration sensors and microactuators have come into the spotlight.
【０００４】かかる素子の特徴として、小型でかつ高精
度の機械機構部品を提供でき、かつ半導体ウエハを用い
るためにＳｉウエハ上に素子と電気回路を一体化できる
ことが挙げられる。また、半導体プロセスをベースに作
製することで、半導体プロセスのバッチ処理による生産
性の向上を期待できる。特に微小変位素子としては、圧
電体薄膜を利用したカンチレバー状（片持ち梁）のもの
が挙げられ、これは非常に微細な動きを制御することが
可能なので、原子レベル、分子レベルを直接観察できる
ＳＴＭ，ＡＦＭに応用されている。例えばスタンフォー
ド大学のクエート等により提案された微小変位素子を用
いたＳＴＭプローブ（ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃ
ｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ｐ１
８８−１９９，Ｆｅｂ．１９９０）がある。これは図１
１に示すようにＳｉウエハ１１１のウエハの裏面を一部
除去しシリコンメンブレンを形成し、表面にＡｌ１１２
とＺｎＯ１１３の薄膜を順次積層し、バイモルフのカン
チレバーを形成しその後、裏面より反応性のドライエッ
チによりシリコンメンブレンとウエハ表面のエッチング
の保護層（シリコン窒化膜）を除去して、ＳＴＭプロー
ブ変位用のバイモルフカンチレバーを作製している。こ
のカンチレバーの上面自由端部にトンネル電流検知用プ
ローブを取り付け、良好なＳＴＭ像を得ている。さらに
図１２の様な圧電体１２１と電極１２２を積層し圧電体
を４ブロックに分け、３軸駆動が可能な自由端部にトン
ネル電流を検出するプローブが提案されている。かかる
構成によれば図１３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す様に
各電極間に適当なバイアスをかけることによりＸ，Ｙ，
Ｚ軸の各々単独での駆動は可能となる。例えば、圧電体
にＺｎＯを使用し、その微小変位素子の厚さを５μｍ、
長さを１０００μｍ、幅を２００μｍとした時、１０Ｖ
印加で、その変位量はＸ軸で約２００ｎｍ、Ｙ軸で約２
０ｎｍ、Ｚ軸で約７５００ｎｍである。これはＳＴＭプ
ローブとして３軸駆動が可能でかつ集積化が容易とな
り、優れたものである。[0004] The features of such an element include that a small and high-precision mechanical mechanism part can be provided, and the element and an electric circuit can be integrated on a Si wafer because a semiconductor wafer is used. Further, by manufacturing based on a semiconductor process, improvement in productivity by batch processing of the semiconductor process can be expected. In particular, as a small displacement element, a cantilever type (cantilever) using a piezoelectric thin film can be mentioned, and since it is possible to control extremely fine movement, it is possible to directly observe the atomic level and the molecular level. It is applied to STM and AFM. For example, an STM probe using a small displacement element proposed by Kuwait of Stanford University (IEEE Micro Elec)
tro Mechanical Systems, p1
88-199, Feb. 1990). This is Figure 1
As shown in FIG. 1, a part of the back surface of the Si wafer 111 is removed to form a silicon membrane, and an Al 112
And a thin film of ZnO113 are sequentially laminated to form a bimorph cantilever. After that, the silicon membrane and the etching protection layer (silicon nitride film) on the wafer surface are removed from the back surface by reactive dry etching, and the STM probe displacement is removed. We are making bimorph cantilevers. A good tunneling current detection probe is attached to the free end of the upper surface of this cantilever to obtain a good STM image. Further, as shown in FIG. 12, a probe has been proposed in which a piezoelectric body 121 and an electrode 122 are stacked, the piezoelectric body is divided into four blocks, and a tunnel current is detected at a free end that can be driven in three axes. According to this configuration, by applying an appropriate bias between the electrodes as shown in FIGS.
It is possible to drive each of the Z axes independently. For example, ZnO is used for the piezoelectric body, the thickness of the micro displacement element is 5 μm,
10 V when the length is 1000 μm and the width is 200 μm
When applied, the displacement is about 200 nm on the X axis and about 2 nm on the Y axis.
0 nm and about 7500 nm on the Z axis. This is an excellent STM probe that can be driven in three axes and can be easily integrated.
【０００５】一方、ＳＴＭの手法を用いて、半導体ある
いは高分子材料等の原子オーダー、分子オーダーの観察
評価、微細加工（Ｅ．Ｅ．Ｅｈｒｉｃｈｓ，４ｔｈ Ｉ
ｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏ
ｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｒｉｎｇ Ｍｉｃｒ
ｏｓｃｏｐｙ／ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，’８９，Ｓ
１３−３）、及び情報処理装置の様々な分野への応用が
研究されている。なかでも、コンピューターの計算情報
等では大容量を有する記録装置の要求に対してますます
高まっており、半導体プロセス技術の進展により、マイ
クロプロセッサが小型化し、計算能力が向上したために
記録装置の小型化が望まれている。これらの要求を満た
す目的で、記録媒体との間隔が微調整可能な駆動手段上
に存在するトンネル電流発生用プローブからなる変換器
から電圧印加することによって記録媒体表面の仕事関数
を変化させる事により記録書き込みし、仕事関数の変化
によるトンネル電流の変化を検知することにより情報の
読み出しを行い最小記録面積が１０ｎｍ平方となる記録
再生装置が提案されている。On the other hand, by using the STM technique, observation and evaluation of atomic order and molecular order of semiconductors or polymer materials, and fine processing (EE Ehrichs, 4th I
international Conference o
n Scanning Tunneling Micr
oscopy / spectroscopy, '89, S
13-3) and applications of the information processing apparatus to various fields are being studied. Above all, the demand for large-capacity recording devices is growing more and more in computer-calculated information, etc., and with advances in semiconductor process technology, microprocessors have become smaller and computational capabilities have improved, so recording devices have become smaller. Is desired. For the purpose of satisfying these requirements, the work function of the surface of the recording medium is changed by applying a voltage from a converter including a probe for generating a tunnel current, which is present on a driving unit whose distance from the recording medium can be finely adjusted. There has been proposed a recording / reproducing apparatus in which recording and writing are performed and information is read out by detecting a change in a tunnel current due to a change in a work function, and a minimum recording area is 10 nm square.
【０００６】また、ＳＴＭの探針（プローブ）をカンチ
レバーの自由端側に形成し、それぞれ独立に変位するカ
ンチレバーをマルチ化し、さらに半導体プロセスと一体
化して同一基板上にトンネル電流検知用のプローブ付き
カンチレバーと、そのトンネル電流を増幅処理するアン
プ、カンチレバー駆動とトンネル電流の選択のためのマ
ルチプレクサ、シフトレジスタ、等を積載する記録再生
装置が提案されている。In addition, an STM probe (probe) is formed on the free end side of the cantilever, the cantilevers which are independently displaced are multiplied, and further integrated with a semiconductor process, a probe for detecting a tunnel current is provided on the same substrate. There has been proposed a recording / reproducing apparatus on which a cantilever, an amplifier for amplifying the tunnel current, a multiplexer for driving the cantilever and selection of the tunnel current, a shift register, and the like are mounted.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】従来のカンチレバーに
よる駆動走査は、片持ち梁であるので、固有振動数があ
まり高くなく、かつ剛性もあまり高くない。また、従来
のカンチレバー構造では３軸駆動が可能であるものの、
駆動のストロークが小さかった。このため、広域な走査
が行えなかった。また、機械的な衝撃等による問題もす
くなからず生じた。また、従来のカンチレバー構造は構
造体がすべて薄膜である。薄膜には、異種の薄膜同士を
接合ないしは、積層すると、薄膜の内部応力が必然的に
発生する。これは異種の薄膜同士の熱膨張係数の違いや
格子定数の違いによって界面に発生すると考えられる。
とりわけ、薄膜（厚さ２μｍ以下）では、この界面に発
生した内部応力が非常に大きな問題となってくる。この
応力値の厳密なコントロールは難しいのが現状である。
このため、薄膜で積層したカンチレバーは、この内部応
力のために、反ってしまうという問題があった。このた
めあまり寸法精度を高められなかった。The driving scan by the conventional cantilever is a cantilever, so that its natural frequency is not so high and its rigidity is not so high. In addition, although the conventional cantilever structure can drive three axes,
The drive stroke was small. For this reason, wide-area scanning could not be performed. In addition, problems caused by mechanical shocks and the like also occured. Further, in the conventional cantilever structure, the structure is entirely a thin film. When thin films of different types are joined or laminated, the internal stress of the thin films is inevitably generated. This is considered to occur at the interface due to a difference in thermal expansion coefficient and a difference in lattice constant between different types of thin films.
In particular, in the case of a thin film (thickness of 2 μm or less), the internal stress generated at the interface becomes a very serious problem. At present, it is difficult to strictly control the stress value.
Therefore, there is a problem that the cantilever laminated with a thin film is warped due to the internal stress. For this reason, the dimensional accuracy could not be improved much.
【０００８】本発明の目的は、上記素子の剛性を高める
とともに、該素子を膜厚方向とＳｉ基板面内方向の同時
駆動を可能とすることにより、より高速の走査が行える
ようにし、さらには該素子の内部応力による反りをなく
し、寸法精度を高めることにある。An object of the present invention is to increase the rigidity of the above-mentioned element and to enable the element to be driven simultaneously in the film thickness direction and in the in-plane direction of the Si substrate, thereby enabling higher-speed scanning. An object of the present invention is to eliminate warpage due to internal stress of the element and improve dimensional accuracy.
【０００９】また、本発明の目的は、上記素子を用い
た、信頼性の高いＳＴＭ及び、高密度大容量の情報処理
装置を提供することにある。Another object of the present invention, using the above device, a highly reliable ST M 及 beauty, is to provide an information processing apparatus of high-density large-capacity.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段及び作用】本発明によれ
ば、変位素子をＳｉ基板上に両持ち梁状で形成すること
により剛性を高くでき、かつ、自由端部が存在しないの
で反り量を低く抑えることができる。さらには、該両持
ち梁の長手方向に大きく変位させることができ、圧電体
膜の膜厚方向に静電力によって変位させる手段とを組合
せることにより、膜厚方向とＳｉ基板面内方向の同時駆
動が可能である。According to the present invention, the rigidity can be increased by forming the displacement element in the form of a double-ended beam on the Si substrate, and the amount of warpage can be reduced because there is no free end. It can be kept low. Furthermore, it is possible to largely displaced in the longitudinal direction of the both retention beams, by combining a manual stage which displaces by an electrostatic force in a thickness direction of the piezoelectric film, the film thickness direction and the Si substrate in-plane direction Simultaneous driving is possible.
【００１１】即ち本発明は第一に、圧電体膜と、該圧電
体膜を逆圧電効果により変位させるための電極とを有す
る変位素子において、異方性エッチングによって凹部が
形成されたＳｉ基板上に、前記凹部を跨いで自由端部を
有しないように第１の電極、圧電体膜、第２の電極をこ
の順序で積層した３層構造体を有し、前記第２の電極が
前記３層構造体の長手方向中央部において分割されてお
り、前記Ｓｉ基板の凹部に前記第１の電極に対向するよ
うに第３の電極を設け、前記第１の電極と第２の電極間
に電圧を印加することによって逆圧電効果により前記Ｓ
ｉ基板面内方向に変位させ、前記第１の電極と第３の電
極間に電圧を印加することによって静電効果により前記
Ｓｉ基板に対して垂直方向に変位させることを特徴とす
る変位素子であり、また上記変位素子がＳｉ基板上に両
持ち梁状で形成され、該両持ち梁の長手方向に変位、あ
るいはまたＳｉ基板上に十文字状で形成され、該Ｓｉ基
板面内の２軸方向に変位することを特徴とする変位素子
であり、さらには前記第２の電極が、前記３層構造体の
短手方向中央部においても分割されていることを特徴と
する変位素子である。That is, the present invention firstly has a piezoelectric film and an electrode for displacing the piezoelectric film by an inverse piezoelectric effect.
In the displacement element , the recess is formed by anisotropic etching.
The first electrode, the piezoelectric film, and the second electrode are placed on the formed Si substrate so as not to have a free end across the recess.
Wherein the second electrode has a three-layer structure laminated in the following order:
The three-layer structure is divided at the center in the longitudinal direction.
The recessed portion of the Si substrate faces the first electrode.
A third electrode is provided between the first electrode and the second electrode.
By applying a voltage to the S
i, the first electrode and the third electrode are displaced in the in-plane direction.
By applying a voltage between the poles, the electrostatic effect
The displacement element, characterized in Rukoto is displaced in a direction perpendicular to the Si substrate and the displacement element is formed by a doubly supported beam shape on a Si substrate, a longitudinal displacement of the both retention beam, or alternatively A displacement element formed in a cross shape on a Si substrate and displaced in two axial directions in the plane of the Si substrate, further comprising the second electrode of the three-layer structure.
This displacement element is characterized in that it is also divided at the center in the short direction .
【００１２】また本発明は第二に、上記本発明第一の変
位素子にプローブ電極を設けたことを特徴とする走査型
トンネル顕微鏡あるいは原子間力顕微鏡に用いられる検
出素子であり、また上記検出素子を同一基板上に複数設
けたことを特徴とする検出素子である。Further, the present invention relates to a detecting element for use in a scanning tunnel microscope or an atomic force microscope, wherein a probe electrode is provided on the first displacement element of the present invention. This is a detection element in which a plurality of elements are provided on the same substrate.
【００１３】また本発明は第三に、上記検出素子と、該
検出素子と試料とを相対移動させるための駆動手段と、
該試料と該検出素子との間にバイアス電圧を印加するた
めのバイアス電圧印加手段とを備えたことを特徴とする
走査型トンネル顕微鏡であり、第四に、上記検出素子
と、該検出素子と記録媒体とを相対移動させるための駆
動手段と、該検出素子と該記録媒体との間に記録用パル
ス電圧を印加するためのパルス電圧印加手段と、該検出
素子と該記録媒体との間にバイアス電圧を印加するため
のバイアス電圧印加手段とを備えたことを特徴とする情
報処理装置である。Further, the present invention provides, in a third aspect, the above-mentioned detecting element, and driving means for relatively moving the detecting element and the sample,
A scanning tunneling microscope, characterized in that a bias voltage application means for applying a bias voltage between the sample and the detection element, the fourth, the upper Symbol detection element, the detection element Driving means for relatively moving the recording element and the recording medium; pulse voltage applying means for applying a recording pulse voltage between the detecting element and the recording medium; And a bias voltage applying means for applying a bias voltage to the information processing apparatus.
【００１４】本発明の上記変位素子においては、駆動用
電極及び圧電体膜の材料及び作製方法は従来公知の技
術、例えば半導体産業で一般に用いられている真空蒸着
法やスパッタ法、化学気相成長法などの薄膜作製技術や
フォトリソグラフ技術及びエッチング技術を適用するこ
とができ、その作製方法は本発明を制限するものではな
い。In the displacement element according to the present invention, the materials and manufacturing methods of the driving electrode and the piezoelectric film are conventionally known techniques, for example, a vacuum deposition method, a sputtering method, a chemical vapor deposition method generally used in the semiconductor industry. A thin film manufacturing technique such as a method, a photolithographic technique, and an etching technique can be applied, and the manufacturing method does not limit the present invention.
【００１５】また、本発明で好適に用いられる情報記録
用の記録媒体としては、電極基板とその上に設けられた
記録層とからなり、しかも電流・電圧特性に於いて、メ
モリースイッチング現象（電気メモリー効果）を持つも
のが利用できる。A recording medium for information recording preferably used in the present invention comprises an electrode substrate and a recording layer provided thereon, and has a memory switching phenomenon (electrical Those with a memory effect) can be used.
【００１６】本発明で言う電気メモリー効果とは、電圧
印加に対応して少なくとも２つ以上の異なる抵抗状態を
示し、各状態間は記録層の導電率を変化させる閾値を越
えた電圧又は電流を印加することにより自由に遷移し、
また得られた各抵抗状態は閾値を越えない電圧又は電流
を印加する限りにおいてその状態を保持し得ることを言
う。The electric memory effect referred to in the present invention means at least two or more different resistance states corresponding to a voltage application, and a voltage or current exceeding a threshold value for changing the conductivity of the recording layer is applied between the states. Transition freely by applying
It also means that each of the obtained resistance states can be maintained as long as a voltage or current that does not exceed the threshold is applied.
【００１７】記録層を構成する材料の具体例としては、
例えば下記の様なものが挙げられる。Specific examples of the material constituting the recording layer include:
For example, the following are mentioned.
【００１８】（１）酸化物ガラスやホウ酸塩ガラス或い
は周期律表ＩＩＩ，ＩＶ，Ｖ，ＶＩ族元素と化合したＳ
ｅ，Ｔｅ，Ａｓを含んだカルコゲン化物ガラス等のアモ
ルファス半導体が挙げられる。それらは光学的バンドギ
ャップＥｇが０．６〜１．４ｅＶ或いは電気的活性化エ
ネルギー△Ｅが０．７〜１．６ｅＶ程度の真性半導体で
ある。カルコゲン化物ガラスの具体例としては、Ａｓ−
Ｓｅ−Ｔｅ系、Ｇｅ−Ａｓ−Ｓｅ系、Ｓｉ−Ｇｅ−Ａｓ
−Ｔｅ系、例えばＳｉ16Ｇｅ14Ａｓ5 Ｔｅ65（添字は原
子％）、或いはＧｅ−Ｔｅ−Ｘ系、Ｓｉ−Ｔｅ−Ｘ系
（Ｘ＝少量のＶ，ＶＩ族元素）例えばＧｅ15Ｔｅ81Ｓｂ
2 Ｓ2 が挙げられる。(1) Oxide glass, borate glass or S compounded with Group III, IV, V, VI element
An amorphous semiconductor such as chalcogenide glass containing e, Te, and As may be used. They are intrinsic semiconductors having an optical band gap Eg of 0.6 to 1.4 eV or an electric activation energy ΔE of about 0.7 to 1.6 eV. As a specific example of the chalcogenide glass, As-
Se-Te system, Ge-As-Se system, Si-Ge-As
-Te system, for example Si 16 Ge 14 As 5 Te 65 ( suffixes atomic%), or Ge-Te-X type, Si-Te-X type (X = a small amount of V, VI group elements), such as Ge 15 Te 81 Sb
2 S 2, and the like.
【００１９】さらにはＧｅ−Ｓｂ−Ｓｅ系カルコゲン化
物ガラスも用いることができる。Further, a Ge—Sb—Se-based chalcogenide glass can also be used.
【００２０】上記化合物を電極上に堆積したアモルファ
ス半導体層において、膜面に垂直な方向にプローブ電極
を用いて電圧を印加することにより媒体の電気メモリー
効果を発現することができる。In an amorphous semiconductor layer in which the above compound is deposited on an electrode, an electric memory effect of the medium can be exhibited by applying a voltage using a probe electrode in a direction perpendicular to the film surface.
【００２１】係る材料の堆積法としては従来公知の薄膜
形成技術で充分本発明の目的を達成することができる。
例えば好適な成膜法としては、真空蒸着法やクラスター
イオンビーム法等を挙げることができる。一般的には、
係る材料の電気メモリー効果は数μｍ以下の膜厚で観測
されているが、均一性、記録性の観点から１μｍ以下の
膜厚のものが良く、さらに５００Å以下の膜厚のものが
より好ましい。As a method of depositing such a material, the object of the present invention can be sufficiently achieved by a conventionally known thin film forming technique.
For example, as a suitable film forming method, a vacuum evaporation method, a cluster ion beam method, or the like can be given. In general,
Although the electric memory effect of such a material is observed at a film thickness of several μm or less, a film thickness of 1 μm or less is preferable, and a film thickness of 500 ° or less is more preferable from the viewpoint of uniformity and recording properties.
【００２２】記録媒体としての記録分解能の観点からも
記録層はできるだけ薄いことが望ましく、さらに好まし
い膜厚は３０Å〜２００Åの範囲である。From the viewpoint of recording resolution as a recording medium, it is desirable that the recording layer is as thin as possible, and a more preferable thickness is in the range of 30 ° to 200 °.
【００２３】（２）さらにはテトラキノジメタン（ＴＣ
ＮＱ）、ＴＣＮＱ誘導体、例えばテトラフルオロテトラ
シアノキノジメタン（ＴＣＮＱＦ4 ）、テトラシアノエ
チレン（ＴＣＮＥ）およびテトラシアノナフトキノジメ
タン（ＴＮＡＰ）などの電子受容性化合物と銅や銀など
の還元電位が比較的低い金属との塩を電極上に堆積した
有機半導体層も挙げることができる。(2) Further, tetraquinodimethane (TC
NQ), TCNQ derivatives such as tetrafluorotetracyanoquinodimethane (TCNQF 4 ), tetracyanoethylene (TCNE) and tetracyanonaphthoquinodimethane (TNAP) and electron-accepting compounds such as copper and silver. An organic semiconductor layer in which a salt with a relatively low metal is deposited on the electrode can also be mentioned.
【００２４】係る有機半導体層の形成法としては、銅あ
るいは銀の電極上に前記電子受容性化合物を真空蒸着す
る方法が用いられる。As a method of forming such an organic semiconductor layer, a method of vacuum-depositing the electron-accepting compound on a copper or silver electrode is used.
【００２５】係る有機半導体の電気メモリー効果は、数
十μｍ以下の膜厚のもので観測されているが、成膜性、
均一性の観点から１μｍ以下、更には３０Å〜５００Å
の膜厚のものが好ましい。The electric memory effect of such an organic semiconductor has been observed at a film thickness of several tens μm or less.
From the viewpoint of uniformity, 1 μm or less, further, 30 to 500 °
A film having a film thickness of
【００２６】（３）またさらにはπ電子準位を持つ群と
σ電子準位のみを有する群を併有する分子を電極上に積
層した記録媒体を挙げることができる。(3) Further, a recording medium in which molecules having both a group having a π-electron level and a group having only a σ-electron level are laminated on an electrode can be given.
【００２７】本発明に好適なπ電子系を有する色素の構
造としては例えば、フタロシアニン、テトラフェニルポ
ルフィリン等のポルフィリン骨格を有する色素、スクア
リリウム基及びクロコニックメチン基を結合鎖としても
つアズレン系色素及びキノリン、ベンゾチアゾール、ベ
ンゾオキサゾール等の２ケの含窒素複素環をスクアリリ
ウム基及びクロコニックメチン基により結合したシアニ
ン系類似の色素、またはシアニン色素、アントラセン及
びピレン等の縮合多環芳香族、及び芳香環及び複素環化
合物が重合した鎖状化合物及びジアセチレン基の重合
体、さらにはテトラキノジメタン又はテトラチアフルバ
レンの誘導体及びその類縁体及びその電荷移動錯体、ま
たさらにはフェロセン、トリスビピリジンルテニウム錯
体等の金属錯体化合物が挙げられる。Examples of the structure of the dye having a π-electron system suitable for the present invention include a dye having a porphyrin skeleton such as phthalocyanine and tetraphenylporphyrin, an azulene dye having a squarylium group and a croconic methine group as a binding chain, and quinoline. , Benzothiazole, benzoxazole, and other two nitrogen-containing heterocycles linked by a squarylium group and a croconic methine group, or cyanine-like dyes, or condensed polycyclic aromatics such as cyanine dyes, anthracene and pyrene, and aromatic rings And a chain compound obtained by polymerizing a heterocyclic compound and a polymer of a diacetylene group, furthermore, a derivative of tetraquinodimethane or tetrathiafulvalene and an analog thereof and a charge transfer complex thereof, and further, a ferrocene, a trisbipyridine ruthenium complex, and the like. Metal complexation of And the like.
【００２８】以上の如き低分子材料に加えて、各種の高
分子材料を利用することも可能である。In addition to the above low molecular weight materials, various high molecular weight materials can be used.
【００２９】例えばポリイミド又はポリフェニレン、ポ
リチオフェン等の縮合重合体、或いはポリペチドやバク
テリオロドプシン等の生体高分子材料を挙げることがで
きる。For example, a condensation polymer such as polyimide or polyphenylene or polythiophene, or a biopolymer material such as polypeptide or bacteriorhodopsin can be used.
【００３０】有機記録媒体の形成に関しては、具体的に
は蒸着法やクラスターイオンビーム法等の適用も可能で
あるが、制御性、容易性そして再現性から公知の従来技
術の中ではＬＢ法が極めて好適である。With respect to the formation of the organic recording medium, specifically, a vapor deposition method, a cluster ion beam method or the like can be applied. However, among the known prior arts from the viewpoint of controllability, easiness and reproducibility, the LB method is used. Very suitable.
【００３１】[0031]
【実施例】以下、実施例を用いて本発明を具体的に詳述
する。なお、実施例４及び実施例５は参考例である。 The present invention will be described below in detail with reference to examples. Examples 4 and 5 are reference examples.
【００３２】実施例１ 図１（ａ）に本実施例の検出素子の斜視図を示す。これ
は、Ｓｉ基板上に、通常のＩＣ作製プロセスとＳｉの異
方性エッチングとにより作製したものであり、Ｓｉ基板
４上に一対の電極をもつ両持ち梁状変位素子１と情報入
出力用プローブ２と静電駆動用電極３とが図のように配
置されている。図示していないが、Ｓｉ基板４上に検出
素子の動作用回路および信号処理回路等のＩＣが搭載さ
れている。両持ち梁状変位素子１を動作させることによ
って、図示したＹ軸方向に走査することができ、静電駆
動用電極３を動作することにより、両持ち梁状変位素子
１の中心部をＺ軸方向に走査することができる。図１
（ａ）のＡ−Ａ断面の模式図を図１（ｂ）に示す。両持
ち梁状変位素子１は異方性エッチングによりくり貫かれ
たＳｉ基板４上に形成され、圧電体に電圧を印加するた
めの共通電極７（第１の電極）および長手方向中央部に
おいて２分割された圧電体駆動用電極５ａ、５ｂ（第２
の電極）および圧電体膜６が積層されている。この両持
ち梁状変位素子１の中心部にプローブ２が形成されてい
る。この構成によるとプローブ２はＹ軸方向にアクチュ
エートすることができる。例えば図１（ｂ）の様に圧電
体膜６にかける電圧を２分割された圧電体駆動用電極５
ａで圧電体膜６が伸びるように、電極５ｂを縮む様に電
圧をそれぞれ印加すると結果的にプローブ電極２はＹ軸
の方向へ変位する。 Embodiment 1 FIG. 1A is a perspective view of a detecting element of the present embodiment. This is a device fabricated on a Si substrate by a normal IC fabrication process and anisotropic etching of Si. A cantilevered displacement element 1 having a pair of electrodes on a Si substrate 4 and an information input / output The probe 2 and the electrode 3 for electrostatic drive are arranged as shown in the figure. Although not shown, ICs such as a circuit for operating the detection element and a signal processing circuit are mounted on the Si substrate 4. By operating the cantilevered displacement element 1, scanning can be performed in the illustrated Y-axis direction. By operating the electrostatic drive electrode 3, the center of the cantilevered displacement element 1 is moved along the Z-axis. Scan in any direction. FIG.
FIG. 1B is a schematic view of an AA cross section of FIG. The doubly-supported displacement element 1 is formed on a Si substrate 4 penetrated by anisotropic etching, and has a common electrode 7 (first electrode) for applying a voltage to the piezoelectric body and a central portion in the longitudinal direction.
And the piezoelectric body driving electrodes 5a, 5b (second
) And the piezoelectric film 6 are laminated. A probe 2 is formed at the center of the doubly supported displacement element 1. According to this configuration, the probe 2 can actuate in the Y-axis direction. For example, as shown in FIG. 1B, the voltage applied to the piezoelectric film 6 is divided into two and the piezoelectric driving electrode 5 is divided.
When a voltage is applied so as to expand the piezoelectric film 6 and shrink the electrode 5b at a, the probe electrode 2 is displaced in the Y-axis direction as a result.
【００３３】また共通電極７と静電駆動用電極３とに電
圧を印加すると、静電力によりＺ軸を走査することがで
きる。When a voltage is applied to the common electrode 7 and the electrostatic drive electrode 3, the Z-axis can be scanned by electrostatic force.
【００３４】このような構成によってプローブ２をＸ，
Ｚ軸に大きく走査することができる。With such a configuration, the probe 2 is connected to X,
A large scan can be performed on the Z axis.
【００３５】次に上述の検出素子の作製方法を説明す
る。図２は本実施例の検出素子の製造工程を示す図であ
る。（１００）ｎ型Ｓｉ基板２１の表面にＬＰＣＶＤ装
置（低圧 ＣＶＤ装置）でＳｉ3 Ｎ4 膜２３を１０００
Å成膜してパターニングし（図２（ａ））、ＫＯＨ水溶
液等を用いＳｉ3 Ｎ4 膜２２をマスクとし将来、静電駆
動時におけるギャップとなる領域２３の異方性エッチン
グを行う（図２（ｂ））。次に、表面にＡｌ等の静電駆
動用電極３を成膜してパターニングする（図２
（ｃ））。次に、犠牲層２４を成膜する。本実施例にお
いてはスパッタ法によるＺｎＯを用いた（図２
（ｄ））。この後、イオンミリングにより表面の凹凸を
除去し平滑にした（図２（ｅ））。次に、Ｐｔ等の圧電
体駆動用電極２５を１０００Å成膜しパターニングとエ
ッチングにより形成し、ＰＺＴのような圧電体膜２６を
スパッタで３０００Å成膜し、パターニングを繰り返
す。次にリフトオフ法によりプローブ２を形成する（図
２（ｆ））。次に、ポリイミド等で表面のプローブ２等
を保護し、犠牲層２４のＺｎＯを酸でエッチングして除
去し、最後にポリイミドを除去する（図２（ｇ））。Next, a method for manufacturing the above-described detection element will be described. FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of the detection element of the present embodiment. (100) An Si 3 N 4 film 23 is coated on the surface of the n-type Si substrate 21 by LPCVD (low-pressure CVD) at 1000
Å Film formation and patterning (FIG. 2 (a)), and anisotropic etching of a region 23 which will be a gap during electrostatic driving in the future is performed using a Si 3 N 4 film 22 as a mask using a KOH aqueous solution or the like (FIG. 2 (b)). Next, an electrostatic drive electrode 3 of Al or the like is formed on the surface and patterned (FIG. 2).
(C)). Next, the sacrificial layer 24 is formed. In this embodiment, ZnO formed by sputtering is used (FIG. 2).
(D)). Thereafter, surface irregularities were removed and smoothed by ion milling (FIG. 2E). Next, a piezoelectric driving electrode 25 such as Pt is formed to a thickness of 1000 .ANG., Formed by patterning and etching, and a piezoelectric film 26 such as PZT is formed to a thickness of 3000 .ANG. By sputtering, and the patterning is repeated. Next, the probe 2 is formed by a lift-off method (FIG. 2F). Next, the probe 2 and the like on the surface are protected with polyimide or the like, and ZnO of the sacrificial layer 24 is removed by etching with acid, and finally the polyimide is removed (FIG. 2 (g)).
【００３６】この様にして作製した検出素子は両持ち梁
構造をもっているので、圧電体薄膜形成時や、電極薄膜
形成時の内部応力が残留していても大きな反りは発生し
なかった。さらに、寸法精度を高めるためには、この両
持ち梁状変位素子の構成薄膜材料が全体として、引っ張
り応力であることが好ましい。Since the detection element thus manufactured has a doubly supported beam structure, no large warpage occurs even when internal stress remains when a piezoelectric thin film or an electrode thin film is formed. Further, in order to increase the dimensional accuracy, it is preferable that the constituent thin film material of the doubly supported beam-like displacement element has a tensile stress as a whole.
【００３７】作製した検出素子の寸法および性能につい
ては、以下の通り、 圧電体薄膜：ＰＺＴ薄膜 ０．３μｍ 圧電体電極：Ｐｔ薄膜 ０．１μｍ 両持ち梁状変位素子長さ： １０００μｍ 両持ち梁状変位素子幅： ２００μｍ 静電用 ギャップ間距離： ５μｍ Ｙ軸変位量：０．３２×Ｖ１ μｍ（Ｖ１：圧電体印加
電圧（Ｖ）） Ｚ軸変位量：０．２×Ｖ２2 μｍ（Ｖ２：静電駆動印
加電圧（Ｖ）） Ｚ軸固有振動数 ：１７．５ＫＨｚ 機械的Ｑ値 ：１００ この様に、Ｙ，Ｚ軸に大きく走査できるとともに、高速
応答性、ならびに剛性の高い検出素子を形成することが
できた。さらに所望の応答性ならびに剛性を必要とする
場合は、両持ち梁状変位素子の長さを変えたり、圧電体
膜の材料を変えたり、厚さを変える等の設計を行えばよ
い。本実施例では圧電体膜としてＰＺＴを用いたが、こ
れは、ＺｎＯやＡｌＮ、Ｔａ2 Ｏ5 、ＰＬＺＴ、等の他
の圧電材料でも構わない。さらに電極としてＰｔを用い
たが、Ａｕ、Ｐｄ、Ｔｉ等の材料でも構わない。犠牲層
として、ＺｎＯを選んだが、Ｐｏｌｙ−Ｓｉやポリイミ
ド等のエッチングの容易な材料であれば何を選んでも良
い。The dimensions and performance of the manufactured detection element are as follows: Piezoelectric thin film: PZT thin film 0.3 μm Piezoelectric electrode: Pt thin film 0.1 μm Doubly supported displacement element Length: 1000 μm Doubly supported beam Displacement element width: 200 μm Electrostatic gap distance: 5 μm Y-axis displacement: 0.32 × V1 μm (V1: applied voltage of piezoelectric body (V)) Z-axis displacement: 0.2 × V22 2 μm (V2: (Electrostatic drive applied voltage (V)) Z-axis natural frequency: 17.5 KHz Mechanical Q value: 100 In this way, a large-sized scan can be performed on the Y and Z axes, and a high-speed response and a highly rigid detection element are formed. We were able to. If desired responsiveness and rigidity are required, designs such as changing the length of the cantilevered displacement element, changing the material of the piezoelectric film, changing the thickness, and the like may be performed. In this embodiment, PZT is used as the piezoelectric film, but it may be other piezoelectric materials such as ZnO, AlN, Ta 2 O 5 , and PLZT. Further, although Pt was used as the electrode, a material such as Au, Pd, or Ti may be used. Although ZnO was selected as the sacrificial layer, any material that can be easily etched, such as Poly-Si or polyimide, may be selected.
【００３８】図３は複数の上記検出素子をＳｉ基板上に
一体形成した時の斜視図を示したものである。これには
Ｓｉ基板４上に両持ち梁状変位素子１、プローブ２のほ
かトンネル電流増幅器３１と複数の検出素子の動作の各
種制御や情報を転送することのできるＩＣ３２が搭載さ
れている。これは電極パット３３に引き出される。FIG. 3 is a perspective view when a plurality of the detecting elements are integrally formed on a Si substrate. On the Si substrate 4, there are mounted a cantilever-shaped displacement element 1 and a probe 2 as well as an IC 32 capable of transferring various kinds of control and information on the operation of a tunnel current amplifier 31 and a plurality of detection elements. This is drawn out to the electrode pad 33.
【００３９】また、図３の検出素子を用いたＳＴＭ装置
を作製した。この装置のブロック図を図４に示す。Further, an STM device using the detecting element shown in FIG. 3 was manufactured. A block diagram of this device is shown in FIG.
【００４０】本装置では、まず図中４１の本実施例で作
製した検出素子にて、４２の試料に、２のプローブを近
づけたのち（図中Ｚ方向）、試料４２面内のＸ、Ｙ方向
を、４３のＸ−Ｙステージにて走査し、プローブ２と試
料４２間に、４４のバイアス電圧印加回路により電圧を
加え、このとき観察されるトンネル電流を、４５のトン
ネル電流増幅回路で読み出し、像観察を行う。In the present apparatus, first, the probe 2 is brought close to the sample 42 (in the Z direction in the figure) using the detection element 41 manufactured in the present embodiment, and then the X, Y The direction is scanned by the XY stage 43, a voltage is applied between the probe 2 and the sample 42 by the bias voltage application circuit 44, and the tunnel current observed at this time is read out by the tunnel current amplifier circuit 45. And observe the image.
【００４１】また、試料４２とプローブ２の間隔制御と
Ｘ−Ｙステージの駆動制御は４６の駆動制御回路にて行
い、これらの回路のシーケンス制御は４７のＣＰＵにて
行う。図には示していないが、Ｘ−Ｙステージ４３によ
る走査の機構としては、円筒型ピエゾアクチュエータ、
平行バネ、差動マイクロメータ、ボイスコイル、インチ
ウォーム等の制御機構を用いて行う。The control of the distance between the sample 42 and the probe 2 and the drive control of the XY stage are performed by a drive control circuit 46, and the sequence control of these circuits is performed by a CPU 47. Although not shown in the figure, the scanning mechanism by the XY stage 43 includes a cylindrical piezo actuator,
This is performed using a control mechanism such as a parallel spring, a differential micrometer, a voice coil, and an inch worm.
【００４２】この装置にて、試料４２にＨＯＰＧ（グラ
ファイト）板を用いて表面観察を行った。バイアス電圧
印加回路４４にて２００ｍＶの直流電圧をプローブ２と
試料４２の間に加えた。この状態で試料４２に沿ってプ
ローブ２を走査してトンネル電流検出回路４５を用いて
検出される信号より表面観察を行った。スキャンエリア
を０．０５μｍ×０．０５μｍとして観察したところ、
良好な原子像を得ることができた。Using this apparatus, the surface of the sample 42 was observed using a HOPG (graphite) plate. A DC voltage of 200 mV was applied between the probe 2 and the sample 42 by the bias voltage application circuit 44. In this state, the probe 2 was scanned along the sample 42, and the surface was observed based on a signal detected by using the tunnel current detection circuit 45. Observing the scan area as 0.05 μm × 0.05 μm,
A good atomic image could be obtained.
【００４３】本発明の検出素子は、剛性も高く、固有振
動数を高くとれるので、高速にＳＴＭ像を安定して得る
ことができる。上述のように本発明の検出素子を使って
も良好な走査型トンネル顕微鏡を得ることができる。The detection element of the present invention has a high rigidity and a high natural frequency, so that an STM image can be stably obtained at high speed. As described above, a good scanning tunneling microscope can be obtained even by using the detection element of the present invention.
【００４４】図５は、図３の検出素子を用いたＡＦＭ装
置のブロック図であり、図４で示したＳＴＭとしての装
置を改良し、プローブ２を力検出用プローブとして用い
たものである。この力検出プローブ２と試料４２との間
に働く原子間力を測定し、その大きさを一定にするよう
にフィードバックをかけて、試料表面の構造を得ること
ができる。この場合、検出素子４１の両持ち梁（ビー
ム）の変位量を測定するビーム変位量測定装置４８は、
各種のものが知られているが、光てこ方式や静電検出方
式等が好適である。ＡＦＭでは、トンネル電流を測定し
ていないので、ＳＴＭにおけるバイアス電圧印加回路や
トンネル電流検出回路等は必要ではないが、その他の同
一の符号を付した部材に関しては先のＳＴＭと同様であ
る。FIG. 5 is a block diagram of an AFM device using the detecting element shown in FIG. 3. The AFM device shown in FIG. 4 is improved and the probe 2 is used as a force detecting probe. The interatomic force acting between the force detection probe 2 and the sample 42 is measured, and feedback is applied so as to make the magnitude constant, thereby obtaining the structure of the sample surface. In this case, the beam displacement measuring device 48 that measures the displacement of the doubly supported beam (beam) of the detection element 41 is:
Various types are known, but an optical lever method, an electrostatic detection method, and the like are preferable. Since the AFM does not measure the tunnel current, a bias voltage application circuit and a tunnel current detection circuit in the STM are not necessary, but the other members denoted by the same reference numerals are the same as those in the previous STM.
【００４５】ＡＦＭの実験についても試料４２にＨＯＰ
Ｇ（グラファイト）板を用いて表面観察を行った。これ
についても良好な原子像を得ることができた。In the AFM experiment, HOP was added to sample 42.
Surface observation was performed using a G (graphite) plate. Also in this case, a good atomic image could be obtained.
【００４６】図６は本発明の検出素子を用いた情報処理
装置の構成図およびブロック図を示している。構造体６
０８の内部には本実施例の検出素子６０１の両持ち梁状
変位素子６０２、プローブ６０３およびそれらを制御す
るＩＣ６１７が傾き補正機構６０６に取り付けられ、こ
れに対向して記録媒体の基板６０５および記録媒体６０
４がＸＹ走査機構６０７を介して取り付けられている。
ＸＹ走査機構６０７はＸＹ走査駆動回路６０９に接続さ
れ、検出素子６０１はプローブ６０３、媒体間制御回路
６１３を介して、マトリクスプローブ制御回路６１０、
検出素子走査駆動回路６１１、傾き補正回路６１２に接
続されている。またマトリクスプローブ制御回路６１０
はデータの入出力を行う符号器６１４ａ、復号器６１４
ｂとに接続されている。FIG. 6 shows a configuration diagram and a block diagram of an information processing apparatus using the detection element of the present invention. Structure 6
A tilt correction mechanism 606 has a double-supported beam-shaped displacement element 602, a probe 603, and an IC 617 for controlling the same, which are attached to a tilt correction mechanism 606 inside the detection element 601 of the present embodiment. Medium 60
4 is attached via an XY scanning mechanism 607.
The XY scanning mechanism 607 is connected to the XY scanning drive circuit 609, and the detection element 601 is connected to the matrix probe control circuit 610 via the probe 603 and the medium control circuit 613.
The detection element scanning drive circuit 611 and the inclination correction circuit 612 are connected. The matrix probe control circuit 610
Denotes an encoder 614a for inputting / outputting data and a decoder 614
b.
【００４７】これらはマイクロコンピューター６１５と
接続してあり、表示装置６１６で情報の内容を確認でき
る。These are connected to the microcomputer 615, and the contents of the information can be confirmed on the display device 616.
【００４８】ここで、書き込みデータは符号器６１４ａ
により符号化され、マトリクスプローブ制御回路６１０
に転送し、検出素子６０１を駆動し記録媒体６０４に書
き込む。データを読みだす時には、マイクロコンピュー
ター６１５により読みだすべきアドレスを発生し、マト
リクスプローブ制御回路６１０を駆動する。マトリクス
プローブ制御回路６１０はこのアドレスに従って検出素
子６０１からの複数の各プローブ６０３からの信号を読
みだし、復号器６１４ｂに転送する。Here, the write data is transmitted to the encoder 614a.
Matrix probe control circuit 610
And drives the detection element 601 to write the data on the recording medium 604. When reading data, the microcomputer 615 generates an address to be read, and drives the matrix probe control circuit 610. The matrix probe control circuit 610 reads out the signals from the plurality of probes 603 from the detection element 601 according to this address and transfers them to the decoder 614b.
【００４９】復号器６１４ｂはこの信号からエラー検出
または、エラー訂正を行いデータを出力する。The decoder 614b performs error detection or error correction from this signal and outputs data.
【００５０】マトリクスプローブ制御回路６１０によ
り、各プローブ電極に流れるトンネル電流の情報を直接
読みだし、プローブ、媒体間距離制御回路６１３により
基準位置からのずれを検出し、個々のプローブ６０３の
Ｚ方向制御は検出素子走査駆動回路６１１により制御
し、検出素子６０１の姿勢を正す必要がある場合は傾き
補正回路６１２により行う。The matrix probe control circuit 610 directly reads the information of the tunnel current flowing through each probe electrode, detects the deviation from the reference position by the probe and medium distance control circuit 613, and controls the Z direction of each probe 603. Is controlled by the detection element scanning drive circuit 611, and when the posture of the detection element 601 needs to be corrected, this is performed by the inclination correction circuit 612.
【００５１】図６（ｂ）は本情報処理装置での記録再生
をする様子を示したものである。検出素子６０１と記録
媒体６０４とを対向させる。尚、記録媒体６０４には、
ガラス基板６０５上にＡｕ電極を１００ｎｍ真空蒸着し
たものを用いた。まずプローブ６０３とＡｕ電極からな
る記録媒体６０４とに電圧０．５Ｖ印加する。次にプロ
ーブ６０３と記録媒体６０４との間のトンネル電流値が
１ｎＡ程度になるように静電駆動用電極３に電圧をか
け、プローブ２をＺ軸に変位させる。その後、記録媒体
に摂動を加え、選択的に乱れを生じさせるために、５Ｖ
のパルス電圧（１μｓｅｃ）を加えると記録ビット６１
８が形成される。その後、圧電体に電圧を印加し両持ち
梁状変位素子６０２によりＸ方向に走査し、記録ビット
を次々と記録していく。次にこの記録ビットの再生方法
は、トンネル電流値が一定になるように、静電駆動用電
極３に電圧を制御し、この静電駆動用電極をかけた電圧
を判断することによって、記録ビットの有無を判断する
ことができる。FIG. 6B shows how recording and reproduction are performed in the information processing apparatus. The detection element 601 and the recording medium 604 face each other. The recording medium 604 includes
A 100-nm Au electrode vacuum-deposited on a glass substrate 605 was used. First, a voltage of 0.5 V is applied to the probe 603 and the recording medium 604 including an Au electrode. Next, a voltage is applied to the electrostatic drive electrode 3 so that the tunnel current value between the probe 603 and the recording medium 604 becomes about 1 nA, and the probe 2 is displaced in the Z axis. Thereafter, in order to apply a perturbation to the recording medium and selectively cause disturbance, 5 V
When the pulse voltage (1 μsec) is applied, the recording bit 61
8 are formed. Thereafter, a voltage is applied to the piezoelectric body, and scanning is performed in the X direction by the double-ended beam-shaped displacement element 602, and recording bits are sequentially recorded. Next, in the method of reproducing the recording bit, the recording bit is controlled by controlling the voltage of the electrostatic driving electrode 3 so that the tunnel current value becomes constant, and determining the voltage applied to the electrostatic driving electrode. Can be determined.
【００５２】本実施例の情報処理装置により、記録情報
の書き込み、読み出し、消去を再現性よく安定にかつ高
速に行えることが確認できた。It has been confirmed that the information processing apparatus of this embodiment can write, read and erase recorded information stably with high reproducibility and at high speed.
【００５３】実施例２ 本実施例では、本発明の検出素子の他の態様を示す。実
施例１と違う点は検出素子がＸ，Ｙ，Ｚの３軸に走査す
ることにある。 Embodiment 2 In this embodiment, another embodiment of the detection element of the present invention will be described. The difference from the first embodiment is that the detection element scans in three axes of X, Y and Z.
【００５４】図７は、本実施例の検出素子の斜視図であ
る。実施例１と同様にＳｉ基板４上に形成され、圧電体
に電圧を印加するための共通電極７および４分割（長手
方向および短手方向それぞれ２分割）された圧電体駆動
用電極７１および圧電体膜６が積層されてなる両持ち梁
状変位素子１とプローブ２があり、中心部に走査し易い
様にヒンジ７０を有している。４分割された圧電体駆動
用電極７１にそれぞれ任意の電圧を印加することによっ
て、Ｘ軸にも走査することができるのが本実施例の特徴
である。この検出素子を用いたＳＴＭ，ＡＦＭ及び情報
処理装置においても実施例１と同様な結果が得られた。FIG. 7 is a perspective view of the detecting element of this embodiment. Similar to the first embodiment, the common electrode 7 is formed on the Si substrate 4 to apply a voltage to the piezoelectric body, and is divided into four parts (long sides).
There are a cantilevered displacement element 1 and a probe 2 in which a piezoelectric driving electrode 71 and a piezoelectric film 6 which are divided into two directions (a two-way direction and a short direction) are laminated. have. The feature of this embodiment is that scanning can be performed on the X-axis by applying an arbitrary voltage to each of the four divided piezoelectric driving electrodes 71. In the STM, AFM and information processing apparatus using this detection element, the same results as in Example 1 were obtained.
【００５５】実施例３ 本実施例では、本発明の検出素子の他の態様を示す。図
８は本実施例の検出素子の斜視図である。これは実施例
１、２の検出素子と同様の構成でＳｉ基板４上に形成さ
れた直交する十文字型の両持ち梁状変位素子８０でＸ
軸、Ｙ軸を走査するとともに、静電駆動用電極３により
Ｚ軸を走査するものである。このような構成でも集積化
に適することはいうまでもない。また、この検出素子を
用いたＳＴＭ，ＡＦＭ及び情報処理装置においても実施
例１と同様な結果が得られた。 Embodiment 3 In this embodiment, another embodiment of the detection element of the present invention will be described. FIG. 8 is a perspective view of the detection element of this embodiment. This is the same as the detection elements of the first and second embodiments, and the X-shaped cross-supported beam-shaped displacement element 80 formed on the Si substrate 4 at right angles.
In addition to scanning the axis and the Y axis, the electrostatic drive electrode 3 scans the Z axis. Needless to say, such a configuration is suitable for integration. In addition, the same results as in Example 1 were obtained in an STM, an AFM, and an information processing apparatus using this detection element.
【００５６】実施例４ 図 ９は本実施例の検出素子の斜視図である。 Embodiment 4 FIG. 9 is a perspective view of a detection element of this embodiment.
【００５７】これは両持ち梁状変位素子１，１’を動作
させることによって、ビーム９１を支点としてプローブ
２をＸ軸に走査することができる。図９（ａ）のＡ−Ａ
断面の模式図を図９（ｂ）に示す。片持ち梁状変位素子
９２はＳｉでできているビーム９１の上に形成し、圧電
体膜に電圧を印加するための下部電極９３および中電極
９４、上部電極９５と圧電体膜９６、９７が積層されて
構成されている。この構成によるとバイモルフ圧電素子
としてＺ軸方向にアクチュエートすることができる。こ
の片持ち梁状変位素子９２の自由端部にプローブ２が形
成されている。電源９８より圧電体駆動用電極に電圧を
かけると例えば図示のように圧電体膜９６は伸び、圧電
体薄膜９７は縮む。この結果プローブ２は図示した方向
に上がる。次に図９（ａ）のＢ−Ｂ断面の模式図を図９
（ｃ）に示す。これは中心部に片持ち梁状変位素子９２
があり両脇に両持ち梁状変位素子１，１’が形成されて
いる。電源９９，９９’により圧電体駆動用電極に電圧
を印加すると、例えば図示のように片持ち梁状変位素子
９２は変位することができる。By operating the cantilevered displacement elements 1 and 1 ', the probe 2 can be scanned in the X-axis with the beam 91 as a fulcrum. AA of FIG. 9 (a)
FIG. 9B shows a schematic diagram of the cross section. The cantilever displacement element 92 is formed on a beam 91 made of Si, and includes a lower electrode 93 and a middle electrode 94 for applying a voltage to the piezoelectric film, an upper electrode 95 and piezoelectric films 96 and 97. It is configured to be laminated. According to this configuration, the bimorph piezoelectric element can be actuated in the Z-axis direction. The probe 2 is formed at the free end of the cantilever displacement element 92. When a voltage is applied to the piezoelectric driving electrode from the power supply 98, for example, the piezoelectric film 96 expands and the piezoelectric thin film 97 contracts as shown in the figure. As a result, the probe 2 moves up in the illustrated direction. Next, a schematic diagram of a BB cross section of FIG.
It is shown in (c). This has a cantilever displacement element 92 at the center.
There are doubly-supported displacement elements 1, 1 'on both sides. When a voltage is applied to the piezoelectric body driving electrodes by the power supplies 99 and 99 ', the cantilever displacement element 92 can be displaced, for example, as shown in the figure.
【００５８】このような構成においてはプローブ２を
Ｘ，Ｚ軸に大きく走査することができる。In such a configuration, the probe 2 can largely scan the X and Z axes.
【００５９】この検出素子を用いたＳＴＭ，ＡＦＭ及び
情報処理装置においても、実施例１と同様な結果が得ら
れた。In the STM, AFM and information processing apparatus using this detecting element, the same results as in the first embodiment were obtained.
【００６０】実施例５ 本実施例の実施例４と違う点は両持ち梁状変位素子で複
数の片持ち梁状変位素子をＸ軸走査することにある。 Fifth Embodiment The difference of the fifth embodiment from the fourth embodiment is that a plurality of cantilever-shaped displacement elements are scanned in the X-axis by a cantilever-shaped displacement element.
【００６１】図１０は、本実施例の検出素子の斜視図で
ある。実施例４と同様にＳｉ基板４上に複数の片持ち梁
状変位素子９２とプローブ２があり、両持ち梁状変位素
子１によりビーム９１を支点に形成されている。両持ち
梁状変位素子１に電圧を印加することにより片持ち梁状
変位素子９２をＸ軸に走査することができる。この検出
素子を用いたＳＴＭ，ＡＦＭ及び情報処理装置において
も実施例１と同様な結果が得られた。FIG. 10 is a perspective view of the detecting element of this embodiment. As in the fourth embodiment, a plurality of cantilever-like displacement elements 92 and probes 2 are provided on the Si substrate 4, and the beam 91 is formed as a fulcrum by the double-supported beam-like displacement element 1. By applying a voltage to the cantilever displacement element 1, the cantilever displacement element 92 can be scanned in the X-axis. In the STM, AFM and information processing apparatus using this detection element, the same results as in Example 1 were obtained.
【００６２】[0062]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の変位素子
では、従来のカンチレバー状変位素子よりも剛性を高
め、また、該素子の膜厚方向とＳｉ基板面内方向の同時
駆動を可能にしたことにより、より高速の走査が行え
る。As described in the foregoing, the displacement element of the present invention, the rigidity than cantilevered displacement element of traditional, also allows the simultaneous driving of the film thickness direction and the Si substrate in-plane direction of the device By doing so, higher-speed scanning can be performed.
【００６３】また、自由端の存在しない本発明の変位素
子では、内部応力による反りを低減でき、より信頼性の
高い素子となった。In the displacement element of the present invention having no free end, warpage due to internal stress can be reduced, and the element has higher reliability.
【００６４】さらに本発明の検出素子を用いたＳＴＭ，
ＡＦＭでは、より高速に表面観察を行うことができ、良
好な原子像を得ることが可能となった。Further, STM using the detection element of the present invention,
With the AFM, surface observation can be performed at higher speed, and a good atomic image can be obtained.
【００６５】またさらには、本発明の検出素子を用いた
情報処理装置では、記録情報の書き込み、読み出し、消
去を再現性よく安定に、かつ、より高速に行えることが
可能となった。Further, in the information processing apparatus using the detecting element of the present invention, it is possible to write, read, and erase recorded information stably with high reproducibility and at high speed.
【図１】本発明の検出素子の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of a detection element of the present invention.
【図２】本発明の検出素子の製造工程を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of the detection element of the present invention.
【図３】複数の検出素子をＳｉ基板上に一体形成した時
の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view when a plurality of detection elements are integrally formed on a Si substrate.
【図４】本発明のＳＴＭ装置のブロック図である。FIG. 4 is a block diagram of the STM device of the present invention.
【図５】本発明の検出素子を用いたＡＦＭ装置のブロッ
ク図である。FIG. 5 is a block diagram of an AFM device using the detection element of the present invention.
【図６】本発明の情報処理装置の構成図及びブロック図
である。FIG. 6 is a configuration diagram and a block diagram of an information processing apparatus according to the present invention.
【図７】本発明の検出素子の他の態様を示す斜視図であ
る。FIG. 7 is a perspective view showing another embodiment of the detection element of the present invention.
【図８】本発明の検出素子の他の態様を示す斜視図であ
る。FIG. 8 is a perspective view showing another embodiment of the detection element of the present invention.
【図９】参考実施例の検出素子を示す斜視図である。9 is a perspective view showing a detecting element of Reference Example.
【図１０】参考実施例の検出素子を示す斜視図である。10 is a perspective view showing a detecting element of Reference Example.
【図１１】従来のバイモルフカンチレバー型プローブの
斜視図である。FIG. 11 is a perspective view of a conventional bimorph cantilever probe.
【図１２】従来のバイモルフカンチレバー型プローブの
構成を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional bimorph cantilever probe.
【図１３】従来のバイモルフカンチレバー型プローブの
駆動を説明するための図である。FIG. 13 is a view for explaining driving of a conventional bimorph cantilever probe.
１ 両持ち梁状変位素子 ２ プローブ ３ 静電駆動用電極 ４ Ｓｉ基板 ５ａ，５ｂ ２分割された圧電体駆動用電極 ６ 圧電体膜 ７ 共通電極 ２１ （１００）ｎ型Ｓｉ基板 ２２ Ｓｉ3 Ｎ4 膜 ２３ 静電駆動時のギャップとなる領域 ２４ 犠牲層 ２５ 圧電体駆動用電極 ３１ トンネル電流増幅器 ３２ ＩＣ ３３ 電極パット ４１ 検出素子 ４２ 試料 ４３ Ｘ−Ｙステージ ４４ バイアス電圧印加回路 ４５ トンネル電流検出回路 ４６ 駆動制御回路 ４７ ＣＰＵ ４８ ビーム変位量測定装置 ６０１ 検出素子 ６０２ 両持ち梁変位素子 ６０３ プローブ ６０４ 記録媒体 ６０５ 記録媒体の基板 ６０６ 傾き補正機構 ６０７ ＸＹ走査機構 ６０８ 構造体 ６０９ ＸＹ走査駆動回路 ６１０ マトリクスプローブ制御回路 ６１１ 検出素子走査駆動回路 ６１２ 傾き補正回路 ６１３ 媒体間制御回路 ６１４ａ 符号器 ６１４ｂ 復号器 ６１５ マイクロコンピューター ６１６ 表示装置 ６１７ ＩＣ ６１８ 記録ビット ７０ ヒンジ ８０ 十文字型の両持ち梁状変位素子 ９１ ビーム ９２ 片持ち梁状変位素子 ９３ 下部電極 ９４ 中電極 ９５ 上部電極 ９６，９７ 圧電体膜 ９８，９９，９９’ 電源 １１１ Ｓｉウエハ １１２ Ａｌ １１３ ＺｎＯ １２１ 圧電体 １２２ 電極REFERENCE SIGNS LIST 1 doubly supported displacement element 2 probe 3 electrostatic drive electrode 4 Si substrate 5 a, 5 b divided piezoelectric drive electrode 6 piezoelectric film 7 common electrode 21 (100) n-type Si substrate 22 Si 3 N 4 Film 23 Region to be a gap during electrostatic driving 24 Sacrificial layer 25 Piezoelectric driving electrode 31 Tunnel current amplifier 32 IC 33 Electrode pad 41 Detector 42 Sample 43 XY stage 44 Bias voltage application circuit 45 Tunnel current detection circuit 46 Drive control circuit 47 CPU 48 Beam displacement measurement device 601 Detection element 602 Doubly supported beam displacement element 603 Probe 604 Recording medium 605 Recording medium substrate 606 Tilt correction mechanism 607 XY scanning mechanism 608 Structure 609 XY scanning drive circuit 610 Matrix probe control Circuit 611 Detector scanning drive circuit 612 Correction circuit 613 Medium-to-medium control circuit 614a Encoder 614b Decoder 615 Microcomputer 616 Display 617 IC 618 Recording bit 70 Hinge 80 Cross-shaped cantilever displacement element 91 Beam 92 Cantilever displacement element 93 Lower electrode 94 Medium Electrode 95 Upper electrode 96, 97 Piezoelectric film 98, 99, 99 'Power supply 111 Si wafer 112 Al 113 ZnO 121 Piezoelectric 122 electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 41/09 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｕ (72)発明者 高松 修 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 中山 優 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 鈴木 義勇 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 川崎 岳彦 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−243908（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−38904（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−296604（ＪＰ，Ａ) 特表 平３−503463（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G01B 7/34 G01B 21/30 G11B 9/00 H01L 41/00 - 41/22 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI H01L 41/09 H01L 41/08 U (72) Inventor Osamu Takamatsu 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Inside Canon Inc. (72) Inventor: Yu Nakayama, 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Inside Canon Inc. (72) Inventor Yoshiyuki Suzuki 3-30-2, Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (72) Invention Person Takehiko Kawasaki 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Inside Canon Inc. (56) References JP-A-2-243908 (JP, A) JP-A-2-38904 (JP, A) JP-A-4 -296604 (JP, A) Table 3-3-1 463 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01N 13/10-13/24 G12B 21/00-21/24 G01B 7/34 G01B 21/30 G11B 9/00 H01L 41/00-41/22 JICS File (JOIS)
Claims (8)
より変位させるための電極とを有する変位素子におい
て、異方性エッチングによって凹部が形成された Ｓｉ基板上
に、前記凹部を跨いで自由端部を有しないように第１の
電極、圧電体膜、第２の電極をこの順序で積層した３層
構造体を有し、 前記第２の電極が前記３層構造体の長手方向中央部にお
いて分割されており、 前記Ｓｉ基板の凹部に前記第１の電極に対向するように
第３の電極を設け、 前記第１の電極と第２の電極間に電圧を印加することに
よって逆圧電効果により前記Ｓｉ基板面内方向に変位さ
せ、 前記第１の電極と第３の電極間に電圧を印加することに
よって静電効果により前記Ｓｉ基板に対して垂直方向に
変位させ ることを特徴とする変位素子。1. A piezoelectric film and the displacement element odor that having a electrode for displacing the inverse piezoelectric effect piezoelectric film
Then , on the Si substrate in which the concave portion is formed by the anisotropic etching, the first portion is formed so as not to have a free end portion over the concave portion .
Three layers in which an electrode, a piezoelectric film, and a second electrode are laminated in this order
Having a structure, wherein the second electrode is provided at a central portion in the longitudinal direction of the three-layer structure.
And is divided into concave portions of the Si substrate so as to face the first electrode.
Providing a third electrode and applying a voltage between the first electrode and the second electrode;
Therefore, the displacement in the in-plane direction of the Si
And applying a voltage between the first electrode and the third electrode.
Therefore, due to the electrostatic effect,
Displacement element characterized Rukoto displaces.
両持ち梁状で形成され、該両持ち梁の長手方向に変位す
ることを特徴とする変位素子。2. The displacement element according to claim 1, wherein the displacement element is formed in a doubly supported beam shape on a Si substrate, and is displaced in a longitudinal direction of the doubly supported beam.
に十文字状で形成され、該Ｓｉ基板面内の２軸方向に変
位することを特徴とする変位素子。3. The displacement element according to claim 1, wherein the displacement element is formed in a cross shape on a Si substrate, and is displaced in two axial directions in the surface of the Si substrate.
手方向中央部においても分割されていることを特徴とす
る請求項１記載の変位素子。 4. The three-layer structure according to claim 2, wherein said second electrode is a short-circuit electrode.
It is also divided at the center in the hand direction.
The displacement element according to claim 1.
にプローブ電極を設けたことを特徴とする検出素子。5. A method according to claim 1-4 detecting device characterized in that a probe electrode to the displacement element according to any.
複数設けたことを特徴とする検出素子。6. A detection element comprising a plurality of detection elements according to claim 5 provided on the same substrate.
出素子と試料とを相対移動させるための駆動手段と、該
試料と該検出素子との間にバイアス電圧を印加するため
のバイアス電圧印加手段とを備えたことを特徴とする走
査型トンネル顕微鏡。7. A sensing element according to claim 5 or 6, wherein the bias for applying a bias voltage between the drive means for relatively moving and the sample detection elements, the sample and the detection element A scanning tunnel microscope comprising: a voltage application unit.
出素子と記録媒体とを相対移動させるための駆動手段
と、該検出素子と該記録媒体との間に記録用パルス電圧
を印加するためのパルス電圧印加手段と、該検出素子と
該記録媒体との間にバイアス電圧を印加するためのバイ
アス電圧印加手段とを備えたことを特徴とする情報処理
装置。8. A detecting element according to claim 5 or 6 , driving means for relatively moving the detecting element and the recording medium, and applying a recording pulse voltage between the detecting element and the recording medium. And a bias voltage applying means for applying a bias voltage between the detecting element and the recording medium.
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