JPH0612710A

JPH0612710A - カンチレバー型変位素子の駆動方法、走査型トンネル顕微鏡、情報処理装置、及びカンチレバー型変位素子

Info

Publication number: JPH0612710A
Application number: JP4191414A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Yamamoto; 敬介山本; Takehiko Kawasaki; 岳彦川崎; Yoshio Suzuki; 義勇鈴木; Masaru Nakayama; 優中山; Harunori Kawada; 春紀河田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-06-26
Filing date: 1992-06-26
Publication date: 1994-01-21
Anticipated expiration: 2015-07-10
Also published as: JP3060142B2

Abstract

(57)【要約】【目的】圧電体駆動に伴う変位素子の振動を減らし、
より高精度な走査型トンネル顕微鏡を提供する。【構成】圧電体薄膜と電極とを積層してなるカンチレ
バー型変位素子において、圧電体駆動用下部電極に対向
して静電駆動用電極を設け、これら一対の電極により平
行平板コンデンサーを形成し、電圧を印加することによ
り、従来の圧電体駆動に伴う不要な振動を制御する。【効果】変位素子の振動が制御されたため、変位素子
の応答性が良く、高精度な位置出しが行なえる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、逆圧電効果により駆動
するカンチレバー（片持ち梁）型変位素子及びこれを用
いた走査型トンネル顕微鏡（以下「ＳＴＭ」と記す）、
情報処理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のカンチレバー型変位素子
は、図９に示すものが知られている。

【０００３】ここに用いられているカンチレバー型変位
素子９１は電気的に分極されたＰＺＴ等から形成される
圧電体薄膜４，８と電極５，６，９で形成される積層構
造を有している。このカンチレバー型変位素子は支持体
９２で固定されカンチレバー型となっている。ここで圧
電体薄膜４，８をそれぞれ縮む方向、伸びる方向に或い
はその逆方向に、電圧を５，６，９の電極に印加すると
上方或いは下方に湾曲変位する。この湾曲変位により自
由端部９３は上下方向に変位することができる。

【０００４】また、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。

【０００５】係る素子の特徴として、小型で且つ高精度
の機械機構部品を提供でき、且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、圧電体薄膜を利用したカン
チレバー型変位素子が挙げられるが、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カ
ンチレバー型変位素子を用いたＳＴＭプローブ（ＩＥＥ
ＥＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃ
ａｌＳｙｓｔｅｍｓ，ｐ１８８−１９９，Ｆｅｂ．１
９９０）がある。これは図１０に示すようにＳｉ基板
（ウエハ）１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Ａｌ９４とＺｎＯ９５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た後、
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
ンチレバー型変位素子を作製している。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１０を
取り付け、良好なＳＴＭ像を得ている。

【０００６】一方、ＳＴＭの手法を用いて、半導体或い
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，４ｔｈＩｎ
ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ
ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｒｉｎｇＭｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｙ／Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，’８９，Ｓ１
３−３）、及び記録再生装置の様々な分野への応用が研
究されている。中でも、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への要求がますます高まって
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形状を変化させ
る事により記録書き込みし、形状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平方となる情報処理装置が提案
されている（ＵＳＰ４５７５８２２）。

【０００７】ＳＴＭ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．Ｂｉｎｎｉｇｅｔａｌ．，Ｈｅｌｖｅｔ
ｉｃａＰｈｙｓｉｃａＡｃｔａ，５５，７２６（１
９８２）、米国特許第４３４３９９３号］。

【０００８】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。

【０００９】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“Ｓｉｌｉｃｏｎａｓ
ａＭｅｃｈａｎｉｃｈａｌＭａｔｅｒｉａｌ”，Ｐｒ
ｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆｔｈｅＩＥＥＥ，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。

【００１０】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。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来のカンチレバー型
変位素子は、変位素子の変位量や作動力に対して特に規
制する手段を持たなかった。特にカンチレバー型変位素
子をＳＴＭプローブとして使用する際にはその変位量及
び作動力は非常に重要となってくる。ＳＴＭは針先を数
Åまで試料に近づけ、その間を流れるトンネル電流をモ
ニターすることによって試料の凹凸を観察するものであ
る。このため、ＳＴＭプローブとしては、高速で且つ精
度よく微小変位することが望ましい。このため従来のカ
ンチレバー型変位素子は変位量や作動力に対して規制制
御する手段を持たなかったため、カンチレバー型変位素
子の有する特性が一義的に決定してしまうために精度よ
く所望の変位量を制御することが難しかった。

【００１２】また、ＳＴＭを応用した情報処理装置にお
いては、記録媒体上の情報は、ＳＴＭプローブから電気
的パルスを与えることによって、記録媒体上の凹凸によ
るビットなど、物理的変化により形成されたビットとし
て記録される。このような場合においては、ＳＴＭプロ
ーブを記録媒体と所望の位置、距離に位置決めされなけ
ればならない。このような手法を用いた情報処理装置に
おいては、カンチレバー型変位素子の自由端部に取り付
けられたＳＴＭプローブが記録媒体との位置決めを行う
ために、時間と共に変化する種々の印加電圧を圧電体に
与えなければならない。例えば矩形波の電圧が印加され
ると、カンチレバー型変位素子は矩形波の応答をすると
共に、固有振動数を主成分とする不要振動を発生する。
この不要振動が減衰するまで、次の動作が行えないため
に情報処理装置の高速化を抑制していた。不要振動は可
能なかぎり除去或いは、減衰させることが必要となって
くる。このためにカンチレバーの支持部にダンパー効果
のあるゴム等で挟持することが通常となっている。しか
し半導体プロセスにより薄膜技術及びエッチング技術で
作製されるカンチレバー型変位素子においては、構成上
このような試みは困難と言える。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の目的とするとこ
ろは、（１）高速でかつ精度よい変位量を持つ。

【００１４】（２）不要振動を除去し、高速化を図る。

【００１５】以上が本発明の目的であり、これを達成す
べくカンチレバー型変位素子およびその駆動方法、ＳＴ
Ｍ、情報処理装置を提供することにある。

【００１６】即ち本発明の第１は、カンチレバーの長手
方向に直交する面での断面形状を変化させるための少な
くとも１層の圧電体と、該圧電体に電圧を印加するため
の電極を具備したカンチレバー型変位素子において、該
電極と平行に静電駆動用電極を設けて上記圧電体駆動用
電極とで平行平板コンデンサーを形成し、該平行平板コ
ンデンサーに電圧を印加することにより変位素子の振動
を制御することを特徴とするカンチレバー型変位素子の
駆動方法であり、第２は該駆動方法を用いたＳＴＭであ
り、第３は上記駆動方法を用いた情報処理装置である。

【００１７】係る構成によれば、カンチレバー型変位素
子は平行平板コンデンサーにかかる静電力によって、変
位素子の変位量、発生力を抑制でき、所望の微小変位量
を精度よくコントロールすることができる。また、静電
力により発生力を抑える結果、ダンパー効果として働
き、不要振動の除去もできる。

【００１８】さらに本発明の第４は、圧電体と該圧電体
に電圧を印加するための電極とを積層してなるカンチレ
バー型変位素子であって、圧電体上表面及び下表面に圧
電体駆動用電極とは絶縁状態でそれぞれ振動吸収用電極
を設け、上下一対の該振動吸収用電極が電気的に接続さ
れていることを特徴とするカンチレバー型変位素子であ
り、第５は該変位素子を同一のシリコン単結晶基板上に
マルチ配置したカンチレバー型変位素子、第６は第４の
カンチレバー型変位素子を用いたＳＴＭ、第７は情報処
理装置である。

【００１９】上記構成によれば、変形による圧電効果で
表面に生ずる電荷を、上下一対の振動吸収用電極間を流
れる電流に変換する。このことにより弾性振動のエネル
ギーは電気エネルギーに変換され、最終的にジュール熱
となる。このため振動の減衰時間を大幅に短縮すること
が可能となる。

【００２０】また上記の上下一対の振動吸収用電極をカ
ンチレバー部の左右に設け互いに電気的に接続すること
により、長軸方向の屈曲振動のみならず幅方向、対角線
方向の弾性振動も電気エネルギーとして吸収することが
でき高速高精度の変位制御が可能となった。またこのよ
うに有害な振動を除去することにより、高精度且つ高速
のＳＴＭ用のプローブの実現が可能となった。

【００２１】更に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の半導体素子
も同時に集積化することが可能である。

【００２２】また、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た大容量且つ高密度の記
録再生が可能な情報処理装置を提供することが可能とな
った。

【００２３】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明を具体的に詳述
する。

【００２４】実施例１本実施例で示すものは本発明第１の駆動方法を用いたカ
ンチレバー型変位素子である。

【００２５】図１（ａ）に本実施例のカンチレバー型変
位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
製したものである。図１（ｂ）はカンチレバー型変位素
子の断面図の模式図である。Ｓｉ基板１２上に電極５、
圧電体薄膜４、電極６、圧電体薄膜８、電極９の順に積
層されたバイモルフカンチレバー型変位素子とＳｉ基板
の上でカンチレバーの背面下方に静電駆動用電極１１を
張り合せたものにより構成される。尚、電極５と電極１
１とで平行平板コンデンサーを形成している。１０はト
ンネル電流検出用プローブである。

【００２６】図２は上述したカンチレバー型変位素子の
製造工程図である。先ずカンチレバー部について述べる
（図２（ａ）〜（ｄ））。最初に厚さ２５０μｍのＳｉ
（１００）基板１上に、ＬＰ−ＣＶＤ法によりシリコン
窒化膜２，３を５００Å積層し、フォトリソグラフィー
によりパターニングし、エッチングマスクとする。次に
抵抗加熱法によりＡｕ電極５を１０００Å積層し、パタ
ーニングした。さらにＲＦマグネトロンスパッタ法によ
り圧電体ＺｎＯ薄膜４を１μｍ、抵抗加熱法によりＡｕ
電極６を１０００Å、再度スパッタ法にて圧電体ＺｎＯ
薄膜８を１μｍ積層し、パターニングを行った（図２
（ａ））。続いて、抵抗加熱法によってＡｕの引き出し
電極９を１０００Å堆積し、パターニングを行った。そ
の上部に、蒸着法によりＰｔで形成されるトンネル電流
検知用ＳＴＭプローブ１０を作製した（図２（ｂ））。
その後ＫＯＨ溶液によるＳｉの異方性エッチングを行
い、カンチレバーを作製した（図２（ｃ））。最後に、
反応性イオンエッチング法により、シリコン窒化膜を除
去した（図２（ｄ））。

【００２７】次に、平行平板コンデンサー部側について
述べる（図２（ｅ）〜（ｈ））。先ず、厚さ２５０μｍ
のＳｉ（１００）基板１’上に、Ｓｉの熱酸化膜１３を
１０００Å程度形成した（図２（ｅ））。次に、ＬＰ−
ＣＶＤ法によりシリコン窒化膜１４を２０００Å積層し
てパターニングを行い、エッチングマスクとした（図２
（ｆ））。次いで、抵抗加熱法によりＡｕ電極１１を１
０００Å積層し、パターニングした（図２（ｇ））。さ
らにＫＯＨ溶液によるＳｉの異方性エッチングを行い、
台形状の基体を形成した。ここでエッチング深さは約２
２０μｍであった（図２（ｈ））。最後にカンチレバー
部（図２（ｄ））と基体（図２（ｈ））とを陽極接合に
より接着し、平行平板コンデンサー部１５を形成した
（図２（ｉ））。

【００２８】カンチレバー型変位素子は矩形で、長さ３
００μｍ×幅１００μｍ、厚さ約２．２μｍであり、平
行平板コンデンサー部１５の電極５と電極１１の対向面
積は３００μｍ×１００μｍ、間隔は約３０μｍであっ
た。

【００２９】この時の平行平板コンデンサー部に印加電
圧を加えないときのカンチレバー型変位素子の変位特性
は次の通りであった。

【００３０】固有振動数２０ＫＨｚ変位量０．２５μｍ／Ｖ（圧電体単位印加電
圧に対する自由端の変位量）固有振動時における機械的Ｑ値５６次に本発明のカンチレバー型変位素子の駆動方法につい
て述べる。図３はその模式結線図である。カンチレバー
部の上電極９と下電極５とを短絡させ、中電極６に圧電
体駆動用印加電源１９をつなぐ。なお中電極６は接地さ
れている。次に平行平板コンデンサー部の静電力可変直
流電源１６を図３のように結ぶ。１７は電流電圧変換増
幅器、１８はトンネル電流の信号出力である。可変直流
電源１６を適当な電圧にすることによってカンチレバー
型変位素子の変位量や発生力を平行平板部の静電力によ
って、制限することができる。

【００３１】図４は種々の静電力印加電圧による圧電体
駆動電圧とカンチレバー部自由端の先端変位量の関係を
示したものである。静電力印加電圧によってカンチレバ
ーの変位量の傾きが変化し、圧電体単位印加電圧当りの
変位量が静電力印加電圧によって制御できることが分か
る。カンチレバーの変位量において切片が異なるのは、
静電力によってカンチレバー部が若干湾曲するためであ
る。このように平行平板コンデンサーを設けることによ
って、圧電体印加電圧における変位量の傾きを変えるこ
とができるので、種々の微小な変位量を制御することが
でき、精度よく位置出しを行える。

【００３２】図５（ａ）は圧電体印加電圧値を固定して
正弦波の圧電体印加電圧を加えたときの、種々の静電力
印加電圧の周波数応答性をとったものである。この時の
周波数応答性は、次の通りであった。

【００３３】静電力印加電圧０Ｖ固有振動数２０ＫＨｚ機械的Ｑ値５６静電力印加電圧１０Ｖ固有振動数２５ＫＨｚ機械的Ｑ値６このように静電力印加電圧を変えることにより、固有振
動数をあげ、機械的Ｑ値をさげることができた。

【００３４】図５（ｂ）は圧電体印加電圧に矩形波（１
ｍｓｅｃ）を与えたときの種々の静電力印加電圧時の変
位量の応答を見たものである。静電力印加電圧０Ｖの時
は、固有振動数を主成分とする不要振動が見られ減衰ま
で約０．６ｍｓｅｃを要した。しかし静電力印加電圧１
０Ｖの時は不要振動は全く見られず、高速に応答できる
ことが分かる。

【００３５】この様に、高速な応答性、精度良い変位
量、ならびに不要振動のないカンチレバー型変位素子を
形成することができた。さらに所望の応答性ならびに変
位量を必要とする場合は、カンチレバー型変位素子の長
さを変えたり、圧電体薄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薄膜と
してＺｎＯ薄膜を用いたが、これは、ＰｂＴｉＯ₃ 、Ｐ
ＺＴやＡｌＮ、Ｔａ₂ Ｏ₅ 、ＰＬＺＴ、等の他の圧電材
料でも構わない。

【００３６】実施例２実施例１のカンチレバー型変位素子を用いたＳＴＭ装置
について述べる。図６に本実施例のＳＴＭの構成図を示
す。除震台６１の上にＸＹ走査機構６２が設置され、観
察物の試料６３はＸＹ方向に移動可能である。また、Ｚ
粗動機構６４上に本発明に係るカンチレバー型変位素子
が設置され、そのカンチレバーの先端にＳＴＭプローブ
６６が作製されている。ＸＹ走査機構６２はＸＹ駆動回
路６７によって、Ｚ粗動機構６４はＺ駆動回路７０によ
って駆動される。またカンチレバー６５は、静電力印加
電圧回路７１により変位特性を可変できる。圧電駆動
（フィードバック）回路７２により試料６３とＳＴＭプ
ローブ６６間に流れるトンネル電流値が一定になるよう
に、Ｚ方向にフィードバックがかけられる。バイアス印
加回路６８により試料、ＳＴＭプローブ間にバイアス電
圧が印加され、トンネル電流検出回路６９により検出さ
れる。全ての回路は、マイクロコンピューター７３によ
り統一して制御され、観察結果は表示装置７４に表示さ
れる。

【００３７】本実施例において、サンプルにエピタキシ
ャル成長させたＡｕ薄膜を用いた。この際に１μｍ×１
μｍの領域のＳＴＭ観察を行った。最初、静電力印加電
圧回路７１により０ＶでＸ方向走査速度１００ＨｚでＳ
ＴＭ観察を行った。次に静電力印加電圧を５Ｖにしたと
ころ、Ｘ方向走査速度２００Ｈｚでも同等の像が得られ
た。本方法によれば、高速に鮮明な像が得られるＳＴＭ
が得られる。

【００３８】実施例３本実施例においては、実施例１のカンチレバー型変位素
子を用いた情報処理装置について述べる。図７は、本実
施例の情報処理装置の構成図である。除震台６１上にＸ
Ｙ走査機構６２が設置され、さらにその上部に記録媒体
７５が設置されている。ＸＹ走査機構６２はＸＹ駆動回
路６７によって駆動され、記録媒体７５にはバイアス印
加回路６８により記録ビットの書き込み、読み出し、消
去のための各種バイアス或いは、パルス電圧が印加され
る。Ｚ軸駆動回路７０によって粗動できるＺ粗動機構６
４上には、１０ｍｍ角の複数のマルチカンチレバー型変
位素子７６が設置されており、４×３＝１２本のカンチ
レバー７７が取り付けられている。各カンチレバーの自
由端部にはＳＴＭプローブ６６が設けられている。各Ｓ
ＴＭプローブに流れるトンネル電流は、トンネル電流検
出回路６９により検出され、各カンチレバーは圧電駆動
（フィードバック）回路７２により、駆動される。ま
た、静電力印加電圧回路７１によって変位特性を制御す
ることができる。全ての回路は、マイクロコンピュータ
ー７３により制御される。記録媒体７５は、マイカ基板
上にエピタキシャル成長させたＡｕ薄膜（２５００Å）
上に、有機記録層を積層したものを用いた。有機記録層
としては、スクアリリウム−ビス−６−オクチアズレン
のＬＢ膜（１層）を使用した。尚ＬＢ膜の形成方法は、
特開昭６３−１６１５５２号公報に開示の方法に従っ
た。

【００３９】次に、記録再生の方法について述べる。ま
ずＳＴＭプローブの１本を＋側、Ａｕ薄膜を−側にし
て、記録層が低抵抗状態（ＯＮ状態）に変化するしきい
値電圧Ｖ_thＯＮ以上のパルス電圧（図８に示す）を印加
し、ＯＮ状態を生じさせた。該ＳＴＭプローブと記録層
との距離を保持したまま、該探針とＡｕ薄膜との間に１
Ｖの電圧を印加してトンネル電流を測定したところ、
０．５ｍＡ程度の電流が流れ、ＯＮ状態になっているこ
とが確認できた。

【００４０】次に、この情報処理装置を用いて次々と記
録を行った。最初、静電力印加電圧を０Ｖにして、カン
チレバー１本に対して１ビット当り１０ｍｓｅｃのスピ
ードで１２本のカンチレバーを順次駆動させ、記録を行
った。その後、同じ速度でこの情報を読み取ることが可
能であった。この時、記録ビットのエラーは見られなか
った。次に同様の実験を１ビット当り５ｍｓｅｃのスピ
ードで行い、その後、再生を行ったところ記録ビットの
エラーが１％ほど検出された。しかし、静電力印加電圧
を５Ｖにし、同様な実験を行ったところ記録ビットのエ
ラーは見られなかった。

【００４１】実施例４図１１は本発明カンチレバー型変位素子の特徴を最もよ
く表す構成図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）中の
Ａ−Ａ’面における断面図である。

【００４２】本図において１１１は基板であり、１１２
は下部電極、１１３ａは下部圧電体薄膜、１１３ｂは上
部圧電体薄膜、１１４は中間電極、１１５は上部電極、
１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄは振動吸収用
電極である。

【００４３】ここで、圧電体薄膜１１３ａ，１１３ｂは
分極軸が１１７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又は収縮させることができ、
これによりカンチレバー部１１８が屈曲変位する。電極
１１２，１１４，１１５は外部に引き出されており、外
部より駆動電圧を印加することができるようになってい
る。

【００４４】振動吸収用電極１１６ａと１１６ｄ及び１
１６ｂと１１６ｃは、基板１１１上で電気的に接続され
ている。係る構造にすることにより、カンチレバー部１
１８を変位させた時に生ずる不要な振動を電気的に吸収
することが可能となる。

【００４５】以下、その原理を説明する。電極１１２，
１１４，１１５に所定の電圧を印加し、カンチレバー部
１１８を屈曲変位させた場合、カンチレバー部１１８に
は目的とする変位量を中心として上下に振動が発生す
る。この時の様子を図１２（ａ）に示す。この振動は圧
電体薄膜１１３ａ，１１３ｂを変形させるため圧電体１
１３ａ，１１３ｂには圧電効果により表面に電荷が発生
する。この際、圧電体薄膜１１３ａの下方の表面と１１
３ｂの上方の表面とでは、圧縮変形と膨張変形とが相対
して交互に起こるため、発生する電荷の負号は常に反対
となる。

【００４６】本発明による所の振動吸収用電極１１６
ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄを圧電体薄膜１１３
ａ，１１３ｂの表面に設け、圧電体を挟んで上下に相対
する１１６ａと１１６ｄ及び１１６ｂと１１６ｃを電気
的に接続する。これにより圧電効果により発生した電荷
は振動吸収用電極１１６ａと１１６ｄ及び１１６ｂと１
１６ｃの間を電流となって往復する。このため振動のエ
ネルギーの一部は電気エネルギーに変換されるため振動
の減衰を早めることができる。

【００４７】本発明による振動吸収用電極１１６ａ，１
１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄを設けた場合のカンチレバ
ー部１１８の変位特性を図１２（ｂ）に示す。

【００４８】この様に振動吸収用電極を用いることによ
りカンチレバー型変位素子の変位制御をより精確に行う
ことが可能となった。

【００４９】次に図１３（ａ）〜（ｆ）を用いて本実施
例に係るカンチレバー型変位素子の製造方法の一例を説
明する。

【００５０】先ず面方位（１００）の単結晶シリコン基
板１１１上へ減圧ＣＶＤ法によりＳｉ₃ Ｎ₄ 膜を１５０
０Å成膜し、絶縁層１１９を形成したものを基板として
用いる。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蒸着し金属膜を形成する。
この金属膜上に感光性レジストを塗布して一般的なフォ
トリソグラフを行い不要部のＡｕ／Ｃｒエッチング除去
し下部電極１１２及び振動吸収用電極１１６ｃ，１１６
ｄをパターン形成する（図１３（ａ））。

【００５１】次にその上にスパッタ蒸着法によりＺｎＯ
を５０００Å形成し、圧電体薄膜１１３ａを形成する。
この時、スパッタ蒸着の条件を適切に調整することで圧
電分極軸（Ｃ軸）とその極性をそろえることができる
（図１３（ｂ））。

【００５２】次に圧電体薄膜１１３ａの上に再び真空蒸
着法により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要部分をエッ
チングにより除去し中間電極１１４のパターン形成をす
る（図１３（ｃ））。

【００５３】次に図１３（ｂ）の工程と同様にスパッタ
蒸着法によりＺｎＯを５０００Å形成し、圧電体薄膜１
１３ｂを形成する（図１３（ｄ））。

【００５４】再びＡｕを１０００Å成膜しフォトリソグ
ラフによりパターニングを行い上部電極１１５、及び振
動吸収用電極１１６ａ，１１６ｂを形成する。この後再
びフォトリソグラフを行い、不要部分のＺｎＯをエッチ
ング除去する（図１３（ｅ））。

【００５５】次にＳｉ単結晶基板１１１の裏面より、面
方位によりエッチング速度が大きく異なることを利用し
た異方性エッチングを行い、Ｓｉ₃ Ｎ₄ の絶縁層１１９
の位置までＳｉを除去する。次に反応性イオンエッチン
グによりＳｉ₃ Ｎ₄ 膜を取り除き、カンチレバー部１１
８を形成する（図１３（ｆ））。

【００５６】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（ＮＨ₄ ）₂ Ｃｅ（ＮＯ₃ ）₆ ：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。

【００５７】以下に、本実施例で作製したカンチレバー
型変位素子の各部の寸法及び駆動特性の一例を示す。

【００５８】カンチレバー部１１８の長さ５００μｍ，幅５０μｍ中間電極１１４をグランドとして下部電極１１２及び上
部電極１１５への印加電圧 ±３Ｖその時のカンチレバー部１１８の先端部での変位量±２
μｍ不要振動減衰時間１０ｍｓｅｃ以上のように本発明を用いることによりカンチレバー型
変位素子に発生する不要振動の減衰時間を大きく短縮す
ることが可能となり、位置制御における精度を大きく向
上させることができた。

【００５９】本実施例においては圧電体としてＺｎＯを
用いたが、これはＺｎＯに限定されるものではなく、Ａ
ｌＮ，ＰＺＴ，ＢａＴｉＯ₃ ，ＬｉＮｂＯ₃ ，ＰＶＤＦ
等他の圧電材料を用いても同様の効果が得られる。また
電極材料としてＡｕ，Ｃｒを用いているがＰｔ，Ｐｄ，
Ｔｉ，Ｗ，Ａｌ等、他の導電性物質によって代用しても
同様の効果が得られる。

【００６０】作製方法も特に限定されるものではなく他
の方法によっても形成できる。

【００６１】実施例５図１４に本発明の第５の実施例を示す。図１４（ｂ）は
図１４（ａ）中のＢ−Ｂ’面における断面図である。本
実施例では、下部電極が１１２ａ，１１２ｂ、上部電極
が１１５ａ，１１５ｂと２つに分割された構造を有する
カンチレバー型変位素子であり電極１１２ａ，１１５ａ
と１１２ｂ，１１５ｂへ印加する電圧の負号を逆にする
ことにより実施例４の上下方向への屈曲変位に加え、左
右方向への微小変位をも可能にした変位素子である。

【００６２】本実施例において振動吸収用電極１１６
ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄは、１１６ａと１１
６ｄ及び１１６ｂと１１６ｃが電気的に接続されている
ことに加えて更にカンチレバー部１１８の先端部におい
て１１６ａと１１６ｂ及び１１６ｃと１１６ｄが電気的
に接続されている。

【００６３】係る構成とすることにより、実施例４にお
けるカンチレバー部１１８における長さ方向の屈曲振動
のみならず、カンチレバー部１１８の幅方向の振動、対
角線方向の振動など種々のモードの寄生振動を電気的に
吸収することが可能となる。

【００６４】係る構造の変位素子は、実施例４で示した
作製方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作製することができ
る。

【００６５】本実施例及び実施例４において振動吸収用
電極１１６ａと１１６ｄ，１１６ｂと１１６ｃの電気的
接続は基板１１１の上でなされているが、接続の位置及
び方法は、これに限定されるものではなく図１５に示す
ように圧電体薄膜１１３ａ，１１３ｂにスルーホール１
２０を形成し、そこで電気的に接続することも可能であ
る。

【００６６】また図１６に示すようにカンチレバー部１
１８の側面の一部または全部に側面電極１２１を形成し
ても同様の効果が得られる。

【００６７】また中間電極への電圧印加がグランドのみ
の場合は図１７に示すようにスルーホール１２０を通し
て中間電極１１４と接続する構造、或いは図１８に示す
ように側面電極１２１を中間電極１１４と接続する構造
も可能である。この様な構造にすることにより圧電効果
により表面に生ずる電荷をより効果的に電流として消費
することができ、振動吸収の効率が上がる。

【００６８】実施例６本発明の第６の実施例を図１９，図２０に示す。図１９
（ｂ）は図１９（ａ）中のＣ−Ｃ’における断面図、図
２０は図１９（ａ）裏面図である。

【００６９】本実施例では実施例５の構成に加えて圧電
体薄膜１１３ｂ上に新たに引き出し電極１２２とカンチ
レバー部１１８の先端部に引き出し電極１２２と接続さ
れた導電性の探針１２３を設けた。

【００７０】このように導電性の探針１２３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変位素子
をＳＴＭ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１１８
を屈曲変位させ、探針１２３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１２３と表面との
距離が数ｎｍ程度まで近づくと探針１２３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１
２３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、引き出し電極１２２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１１８の駆動電
圧にフィードバックをかけることにより、探針１２３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方向に微小に移動さ
せることにより、フィードバック電圧の変化から極微小
表面の凹凸や電気抵抗の分布等を観察することが可能で
ある。本発明による振動吸収電極１１６ａ，１１６ｂ，
１１６ｃ，１１６ｄを設けることにより、有害な振動の
発生を抑制することができ、フィードバックを正確に行
うことができるためＳＴＭの分解能を高めることが出来
る。

【００７１】このようなプローブの作製は実施例４で示
した作製法においてフォトリソグラフのフォトマスクの
パターンを変更することにおいて形成できる。また導電
性の探針１２３は上部電極形成後、フォトレジストを５
μｍ塗布し探針１２３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
造物の形成手段として知られている。

【００７２】実施例７図２１及び図２２に、本発明の第７の実施例を示す。実
施例６において説明した探針１２３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１１１上に
複数個作製し、集積化アクチュエータ２１１を作製した
ものである。

【００７３】係る集積化アクチュエータは、前述実施例
４，５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。

【００７４】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。

【００７５】図２１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２１１を用い、試料２２２
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２２１及び２２３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２２１には集積化アクチュエータ２１１が
固定され、可動ステージ２２３には試料２２２が固定さ
れている。

【００７６】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。

【００７７】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１２３の高さ …３μｍ実施例８図１３に実施例７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。

【００７８】同図において、２３３は電圧印加により抵
抗値が変化する記録層、２３２は金属電極層、２３１は
記録媒体基板である。２３４はＸＹステージ、２３５は
本発明による集積化アクチュエータ、２３６は集積化ア
クチュエータの支持体、２３７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、２３
８，２３９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、２４０は記録再生用のバイ
アス回路である。２４１はトンネル電流検出器、２４２
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、２４３はアクチュエータ２３７を駆
動するためのサーボ回路である。２４４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、２４５
はＸＹステージの位置制御を行う駆動回路である。２４
６はこれらの操作を制御するコンピュータである。

【００７９】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。

【００８０】このようなシステムに本発明に係る振動吸
収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。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のカンチレ
バー型変位素子の駆動方法によると、応答性が良く、高
精度な位置出しが行なえ、且つ不要振動がないので、良
好なＳＴＭ装置及び情報処理装置を実現できる。

【００８２】また、本発明のカンチレバー型変位素子に
よれば、カンチレバー部に発生する有害な振動の減衰を
大幅に早めることにより、位置決め精度が向上し、高速
制御が可能となった。さらに、本発明のカンチレバー型
変位素子を用いたＳＴＭ装置においては、分解能の向上
をもたらし、情報処理装置においては更なる高密度化、
高速化が可能となり、エラー発生率を低減することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るカンチレバー型変位素子を示す図
である。

【図２】図１に示したカンチレバー型変位素子の製造工
程を示す図である。

【図３】本発明に係るカンチレバー型変位素子の模式結
線図である。

【図４】本発明に係るカンチレバー型変位素子の変位特
性を示す図である。

【図５】本発明に係るカンチレバー型変位素子の変位特
性を示す図である。

【図６】本発明のＳＴＭ装置を示す図である。

【図７】本発明の情報処理装置を示す図である。

【図８】記録媒体に印加する電圧を示す図である。

【図９】従来のカンチレバー型変位素子を示す図であ
る。

【図１０】従来のカンチレバー型変位素子を示す図であ
る。

【図１１】実施例４のカンチレバー型変位素子の構成図
である。

【図１２】実施例４のカンチレバー型変位素子と従来例
の変位特性を示す図である。

【図１３】実施例４のカンチレバー型変位素子の製造工
程図である。

【図１４】実施例５のカンチレバー型変位素子の構成図
である。

【図１５】実施例５の他の構成図である。

【図１６】実施例５の他の構成図である。

【図１７】実施例５の他の構成図である。

【図１８】実施例５の他の構成図である。

【図１９】実施例６のカンチレバー型変位素子の構成図
である。

【図２０】実施例６のカンチレバー型変位素子の構成図
である。

【図２１】実施例７の集積化アクチュエータの構成図で
ある。

【図２２】実施例７の集積化アクチュエータを用いたＳ
ＴＭの部分断面図である。

【図２３】実施例８の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。

【図２４】従来例のカンチレバー型変位素子の構成図で
ある。

【符号の説明】

１，１’ シリコン基板２，３シリコン窒化膜４，８圧電体薄膜５，６，９電極１０ＳＴＭプローブ１１静電駆動用電極１２基体１３熱酸化膜１４シリコン窒化膜１５平行平板コンデンサー部１６静電力可変直流電源１７電流電圧変換増幅器１８信号出力１９圧電体駆動用電源６１除震台６２ＸＹ走査機構６３試料６４Ｚ粗動機構６５カンチレバー型変位素子６６ＳＴＭプローブ６７ＸＹ駆動回路６８バイアス印加回路６９トンネル電流検出回路７０Ｚ駆動回路７１静電力印加電圧回路７２圧電駆動回路７３マイクロコンピューター７４表示装置７５記録媒体７６マルチカンチレバー型変位素子７７カンチレバー９１カンチレバー型変位素子９２支持体９３自由端部９４Ａｌ９５ＺｎＯ１１１基板１１２，１１２ａ，１１２ｂ下部電極１１３ａ下部圧電体薄膜１１３ｂ上部圧電体薄膜１１４中間電極１１５，１１５ａ，１１５ｂ上部電極１１６ａ〜ｄ振動吸収用電極１１８カンチレバー部１１９絶縁層１２０スルーホール１２１側面電極１２２引き出し電極１２３探針２１１集積化アクチュエータ２２１，２２３可動ステージ２２２試料２３１記録媒体基板２３２金属電極層２３３記録層２３４ＸＹステージ２３５集積化アクチュエータ２３６支持体２３７Ｚ方向リニアアクチュエータ２３８Ｘ方向リニアアクチュエータ２３９Ｙ方向リニアアクチュエータ２４０記録再生用バイアス回路２４１トンネル電流検出器２４２，２４３サーボ回路２４４，２４５駆動回路２４６コンピューター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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)発明者河田春紀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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カンチレバーの長手方向に直交する面で
の断面形状を変化させるための少なくとも１層の圧電体
と、該圧電体に電圧を印加するための電極を具備したカ
ンチレバー型変位素子において、該電極と平行に静電駆
動用電極を設けて上記圧電体駆動用電極とで平行平板コ
ンデンサーを形成し、該平行平板コンデンサーに電圧を
印加することにより変位素子の振動を制御することを特
徴とするカンチレバー型変位素子の駆動方法。
【請求項２】請求項１記載のカンチレバー型変位素子
の駆動方法を用いたことを特徴とする走査型トンネル顕
微鏡。
【請求項３】請求項１記載のカンチレバー型変位素子
の駆動方法を用いたことを特徴とする情報処理装置。
【請求項４】圧電体と該圧電体に電圧を印加するため
の電極とを積層してなるカンチレバー型変位素子であっ
て、圧電体上表面及び下表面に圧電体駆動用電極とは絶
縁状態でそれぞれ振動吸収用電極を設け、上下一対の該
振動吸収用電極が電気的に接続されていることを特徴と
するカンチレバー型変位素子。
【請求項５】振動吸収用電極を圧電体駆動用電極を挟
んでその両側に設け、且つ該両側の振動吸収用電極が電
気的に接続されていることを特徴とする請求項４記載の
カンチレバー型変位素子。
【請求項６】圧電体が酸化亜鉛薄膜からなることを特
徴とする請求項４又は５記載のカンチレバー型変位素
子。
【請求項７】カンチレバー部先端に導電性探針及び引
き出し電極を設けたことを特徴とする請求項４〜６のい
ずれかに記載のカンチレバー型変位素子。
【請求項８】請求項４〜７のいずれかに記載のカンチ
レバー型変位素子を同一のシリコン単結晶基板上に複数
配置したことを特徴とするカンチレバー型変位素子。
【請求項９】請求項４〜８のいずれかに記載のカンチ
レバー型変位素子を用いたことを特徴とする走査型トン
ネル顕微鏡。
【請求項１０】トンネル電流を用いて記録媒体に情報
の記録・再生を行なう情報処理装置であって、請求項４
〜８のいずれかに記載のカンチレバー型変位素子を用い
たことを特徴とする情報処理装置。