JPH0894647A - プローブ、該プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡、および前記プローブを用いた記録再生装置 - Google Patents

プローブ、該プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡、および前記プローブを用いた記録再生装置

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JPH0894647A
JPH0894647A JP6226189A JP22618994A JPH0894647A JP H0894647 A JPH0894647 A JP H0894647A JP 6226189 A JP6226189 A JP 6226189A JP 22618994 A JP22618994 A JP 22618994A JP H0894647 A JPH0894647 A JP H0894647A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ティップの可動距離を長くして制御性を良く
し、制御性の良いプローブを提供する。 【構成】 基板上に空隙を介して形成された平板駆動部
と、基板に平行な同一直線上に配置され平板駆動部を基
板に対して回転自在に支持する二つの梁と、平板駆動部
を駆動する駆動手段と、平板駆動部の一端に設けられた
情報入出力用のティップとを有するトーションレバー型
のプローブにおいて,２つの梁は、それぞれ平板駆動部
の一端から他端までの間の中央よりも他端側に配置され
ている。また、２つの梁を通る平板駆動部の回転軸で平
板駆動部を２つの領域に２分し、ティップを有する領域
を第１の領域とする一方、ティップを有しない領域を第
２の領域としたとき、２つの領域の重量比は、第１の領
域の重量／第２の領域の重量＜１の関係を満たす。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、トーションレバー型プ
ローブ及びこれを用いた走査型プローブ顕微鏡、記録再
生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】最近、導体の表面原子の電子構造を直接
観察できる走査型トンネル顕微鏡（以下、ＳＴＭと略
す）が開発され［Ｇ. Ｂｉｎｎｉｎｇ ｅｔ ａｌ．Ｐ
ｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ，４９，５７（１９８
２）］、単結晶、非結晶を問わず実空間像を高い分解能
で測定できるようになった。
【０００３】ＳＴＭは、試料に対して電流による損傷を
与えずに低電力で観測できる利点を有し、大気中でも動
作し、種々の材料に対して用いることができるため、広
範囲な応用が期待されている。
【０００４】ＳＴＭは金属のティップと導電性物質間に
電圧を加えて１ｎｍ程度の距離まで近づけるとトンネル
電流が流れることを利用している。この電流は両者の距
離変化に非常に敏感であり、トンネル電流を一定に保つ
ようにティップを走査することで、実空間の全電子雲に
関するいろいろな情報を読み取ることができる。この
時、面内方向の分解能は０．１ｎｍ程度であり、ＳＴＭ
の原理を応用すれば十分に原子オーダー（サブ・ナノメ
ートル）での高密度記録再生を行うことが可能である。
【０００５】例えば、記録層として電圧や電流のスイッ
チング特性に対してメモリ効果を持つ材料であるπ電子
系有機化合物やカルコゲン化合物類の薄膜層を用いて、
記録、再生をＳＴＭで行う方法が提案されている［特開
昭６３―１６１５５２号公報、特開昭６３―１６１５５
３号公報参照］。
【０００６】これらの方法によれば、記録のビットサイ
ズを１０ｎｍとすると、１０12ｂｉｔ／ｃｍ2 もの大容
量記録再生が可能である。
【０００７】ここで、装置の小型化を目的として、半導
体フォトリソグラフィプロセスを用い、複数のプローブ
を極めて小型の可動機構で半導体基板上に形成すること
が、マイクロメカニクス技術により検討されている。
【０００８】そのプローブの可動機構に用いる典型的な
微小機械としては、静電カンチレバー、圧電バイモルフ
カンチレバー（米国特許第４，９０６，８４０号明細書
参照）などが提案されている。これら微小機械は、半導
体フォトリソグラフィプロセスにより作製され、アレイ
化、低コスト化が容易であり、小型化することで高速応
答性が期待できる。特に静電カンチレバーは、自己変位
する圧電バイモルフカンチレバーに比べ、外部からの電
圧印加による静電引力にて変位するために、サイズに比
して大きな変位を行なうことが可能である。
【０００９】また、その他に、両端支持梁のねじれ弾性
を利用して、両端支持梁上に形成された平板部を静電駆
動させるタイプ（以下、トーションレバー型プローブと
称す）が提案されている（特開平４−１９４８号公報参
照）。
【００１０】このトーションレバー型プローブは、カン
チレバー型と異なり、レバーのたわみ弾性と梁のねじれ
弾性を独立に設定できるため、剛性と共振周波数に自由
度のある微小変位素子を作製することができる。また、
静電カンチレバーは、電圧を印加することにより、レバ
ーの先端が基板の方向に変化するため、対向する媒体と
の距離が制御しにくいのに対して、トーションレバー型
は電圧を印加することにより、レバーの先端が基板と反
対方向に変位するため、媒体との距離が制御しやすい利
点がある。
【００１１】図１１は、トーションレバー型プローブを
示す斜視図である。図１２は図１１に示したプローブの
Ａ−Ａ’線断面図であり、同図（ａ）はプローブの非駆
動時の様子を表わす図、同図（ｂ）はプローブの駆動時
の様子を表わす図である。
【００１２】図１１において、基板５０１上には、絶縁
層５０２が形成されている。絶縁層５０２上には固定電
極５０３が形成され、その上に空隙５０４を介して平板
駆動部５０８が形成されている。
【００１３】平板駆動部５０８は、回転支持を行う２つ
の両端支持の梁５０９によって、中央部が支持部５１０
に支持されており、平板駆動部５０８には、各梁５０９
を通る回転軸によって２分される領域のうち、固定電極
５０３と対向する領域に、駆動用の上電極５０７が形成
されている。また、もう一方の領域の先端には、ティッ
プ用配線５１３が電気的に接続された情報入出力用のテ
ィップ５１２が形成されている。
【００１４】このような構成において、固定電極５０３
と上電極５０７との間に電圧を印加することによって、
固定電極５０３と上電極５０７との間に静電力が発生
し、平板駆動部５０８の上電極５０７が固定電極５０３
に引き寄せられる。これにより、梁５０９がねじれて、
平板駆動部５０８全体が両端支持の梁５０９の軸回りに
回転し、ティップ５１２が基板５０１から離れる向きに
駆動される（図１２（ｂ）参照）。このことを利用し
て、平板駆動部５０８の先端に設けられたティップ５１
２と、記録媒体あるいは被観察試料（不図示）との距離
を制御することができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようなトーションレバー型プローブでは、平板駆動部が
梁を軸として回転駆動されるため、ティップの可動距離
は空隙の幅、すなわち固定電極と平板駆動部端部との距
離未満に限定される。ここで、梁による回転軸が平板駆
動部の中心にある場合、ティップの可動距離は空隙の幅
未満となってしまう。
【００１６】一方、空隙の幅を大きくとり、平板駆動部
の位置を基板からより遠くに位置させてティップの可動
距離を長くする方法もあるが、静電駆動の場合、駆動に
要する電圧値が急激に増大してしまい、実用上大きな問
題となる可能性があった。
【００１７】本発明は上記したような技術が有する問題
点を解決するためになされたものであり、ティップの可
動距離を長くしつつ制御性を良いプローブを提供するこ
とを目的とする。また、これを用いることにより、制御
性の良い走査型プローブ顕微鏡、及び記録再生装置を提
供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明のプローブは、基板上に空隙を介して形成された
平板駆動部と、前記基板に平行な同一直線上に配置され
前記平板駆動部を前記基板に対して回転自在に支持する
２つの梁と、前記平板駆動部を駆動する駆動手段と、前
記平板駆動部の一端に設けられた情報入出力用のティッ
プとを有するトーションレバー型のプローブにおいて、
前記２つの梁は、それぞれ前記平板駆動部の一端から他
端までの間の中央よりも他端側に配置されていることを
特徴とする。
【００１９】このとき、前記２つの梁を通る前記平板駆
動部の回転軸で前記平板駆動部を２つの領域に２分し、
前記ティップを有する領域を第１の領域とする一方、前
記ティップを有しない領域を第２の領域としたとき、前
記２つの領域の重量比は、第１の領域の重量／第２の領
域の重量＜１の関係を満たしていてもよい。この場合、
前記２つの領域の重量比が０．５＜第１の領域の重量／
第２の領域の重量＜１であるのが望ましく、さらに、前
記２つの領域の重量比が０．８＜第１の領域の重量／第
２の領域の重量＜１であるのがより望ましい。ここで、
前記２つの領域の重量比が「第１の領域の重量／第２の
領域の重量＞１」である場合、「回転軸からの一端まで
の長さ／回転軸からの他端までの長さ＞１」であるた
め、慣性モーメントが大きくなり、共振周波数の低下が
大きくなってしまう。従って「第１の領域の重量／第２
の領域の重量＜１にすることにより慣性モーメントの増
大を抑制でき、共振周波数の低下を抑制できる。
【００２０】また、前記平板駆動部を前記２つの梁を通
る直線で２つの領域に２分したときの、前記ティップを
有しない領域に空孔を有してもよく、前記駆動手段は、
前記基板および前記平板駆動部の、互いに対向する部位
に設けられた一対の電極であってもよい。
【００２１】ここで、前記プローブと、プローブの駆動
を制御する駆動制御部と、前記ティップと観察すべき試
料との間のトンネル電流を検出するトンネル電流検出部
と、前記試料の表面情報を処理する信号処理部とを備え
た走査型プローブ顕微鏡を構成してもよく、あるいは、
前記プローブと、プローブの駆動を制御し、記録媒体上
に信号を記録もしくは再生する手段を有する記録再生回
路を備えた記録再生装置を構成してもよい。
【００２２】
【作用】上記のように構成されたプローブは、平板駆動
部の長手方向の中央に対して、ティップを有しない他端
側に梁を形成することで、梁による回転軸からの距離
は、ティップを有する一端側の方が、ティップを有しな
い他端側よりも長くなるため、平板駆動部を駆動させた
場合に、空隙の幅、すなわち固定電極と平板駆動部端部
との距離に対して、ティップ先端の可動距離が長くな
る。
【００２３】また、平板駆動部の回転軸で平板駆動部を
２つの領域に分け、ティップを有する領域を第１の領域
とし、ティップを有しない領域を第２の領域としたと
き、これらの領域の重量比Ｗ＝（第１の領域の重量）／
（第２の領域の重量）は、ティップを有する先端側の方
が長いため１以上の値になる恐れがある。重量比Ｗが１
以上になると第１の領域のほうが第２の領域よりも慣性
モーメントが大きくなり、平板駆動部の共振周波数が低
くなってしまう。
【００２４】そこで、２つの領域の重量比ＷをＷ＜１と
すると駆動時の慣性モーメントを回転軸前後で均一に近
付けることができ、共振周波数の低下が抑制される。
【００２５】さらに平板駆動部の第２の領域に空孔を有
することで、平板駆動部と基板との間に存在する空気に
起因するダンパー効果の影響が、より低減される。
【００２６】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
【００２７】（第１実施例）図１は本発明のトーション
レバー型プローブを示す図であり、同図（ａ）は、その
斜視図、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面図である。
【００２８】図１において、基板１上には、絶縁層２が
形成されている。絶縁層２上には固定電極３が形成さ
れ、その上に空隙４を介して平板駆動部８が形成されて
いる。平板駆動部８の上面には、先端部に情報入出力用
のティップ１２が設けられ、後端部の固定電極３と対向
する位置に駆動用の上電極７が形成されている。ティッ
プ１２には、平板駆動部８に形成された電極配線１３が
電気的に接続されている。平板駆動部８は、その両側
が、それぞれ絶縁層２上に形成された２つの支持部１０
に設けられ互いに同一直線上に配置された２つの両端支
持の梁９により支持されている。これにより平板駆動部
８は各梁９を通る直線を回転軸として回転可能となって
いる。また、各梁９は、平板駆動部８の先端から後端ま
での間の中央よりも後端側に位置している。
【００２９】このような構成において、固定電極３と上
電極７との間に電圧を印加することによって、固定電極
３と上電極７との間に静電力が発生し、平板駆動部８の
上電極７が固定電極３に引き寄せられる。これにより、
梁９がねじれて、平板駆動部８全体が両端支持の梁９の
軸回りに回転し、ティップが１２が基板１から離れる向
きに駆動される。このことを利用して、平板駆動部８の
先端に設けられたティップ１２と、記録媒体あるいは被
観察試料（不図示）との距離を制御することができる。
【００３０】上述したように、本実施例のトーションレ
バー型プローブは、平板駆動部８の回転軸からの距離
が、上電極７を有する後端側よりもティップ１２を有す
る先端側の方が長いため、平板駆動部８を駆動させた場
合に、後端の可動距離に対して先端の可動距離、すなわ
ち空隙４の幅（固定電極３と平板駆動部８の距離）に対
して、ティップ１２の可動距離が長くなる。したがっ
て、空隙４の幅を従来と同じにしつつもティップ１２の
可動距離を十分にもった制御しやすいプローブを得るこ
とができる。
【００３１】一方、平板駆動部８の回転軸で平板駆動部
８を２つの領域に分け、ティップ１２を有する領域を第
１の領域とし、ティップ１２を有しない領域を第２の領
域としたとき、これらの領域の重量比Ｗ＝（第１の領域
の重量）／（第２の領域の重量）は、ティップ１２を有
する先端側の方が長いため１以上の値になる恐れがあ
る。重量比Ｗが１以上になると第１の領域のほうが第２
の領域よりも慣性モーメントが大きくなり、平板駆動部
８の共振周波数が低くなってしまう。
【００３２】そこで、本実施例では、２つの領域の重量
比ＷをＷ＜１とするため、第１の領域にはその外形に合
わせた開口部１４が形成されている。これにより、駆動
時の慣性モーメントを回転軸前後で均一に近付けること
ができ、共振周波数の低下を抑制することができる。共
振周波数の低下抑制により、トーションレバー型プロー
ブの駆動性能の高速性が維持できるため、特に高速性が
要求される記録再生装置に有効である。
【００３３】なお、第１の領域と第２の領域の慣性モー
メント値をほぼ同一にしようとした場合、第１の領域と
第２の領域との重量比Ｗが小さすぎると、第１の領域の
強度が低下してしまう構造的な問題が発生する。したが
って、第１の領域と第２の領域の重量比Ｗは、０．５＜
Ｗ＜１の範囲にあるのが望ましく、さらに０．８＜Ｗ＜
１であることがより望ましい。
【００３４】次に、本実施例によるトーションレバー型
プローブの作製工程を、図２および図３を用いて説明す
る。
【００３５】図２は図１に示したプローブの作製工程図
であり、図３は図１に示したプローブのティップの作製
工程図である。
【００３６】トーションレバー型プローブは、半導体プ
ロセス技術と薄膜作製技術を用いた次の諸工程により形
成される。
【００３７】まず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉから
なる基板１上にシリコン窒化膜を減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶ
Ｄ）法により０．３μｍｍの膜厚で成膜し、絶縁層２を
形成する。
【００３８】さらに、絶縁層２の上にレジストを塗布
し、パターニングした後、スパッタリング法によりＴｉ
を５ｎｍ、Ｐｔを０．２μｍ堆積し、レジストを除去す
ることにより固定電極３を形成する。
【００３９】次に、図２（ｂ）に示すように、固定電極
３を形成した絶縁層２の上に酸化亜鉛をスパッタリング
法により２μｍ堆積させた後、レジストを塗布、パター
ニングして、過酸化水素とアンモニアの混合水溶液によ
り酸化亜鉛をエッチングして、犠牲層５を形成する。
【００４０】そして、酸化シリコンをスパッタリング法
により１μｍ堆積させ、その上に、レジストを塗布し、
パターニングした後、リアクティブイオンエッチング
（ＲＩＥ）により酸化シリコンをパターニングし、平板
駆動部８、梁９、および支持部１０を形成する。
【００４１】続いて、図２（ｃ）に示すように、レジス
トを塗布し、パターニングした後、スパッタリング法に
よってＴｉを５ｎｍ、Ａｕを２００ｎｍ堆積させる。そ
して、レジストを除去することにより上電極７およびテ
ィップ用の電極配線１３を形成する。
【００４２】次に、ティップ１２を平板駆動部８の先端
部に形成する。この形成方法は特に限定されるものでは
ないが、本実施例では代表的な例として以下の方法を用
いて作製した。
【００４３】まず、図３（ａ）に示すように、面方位
（１００）のＳｉよりなる第２の基板２１を用意し、第
２の基板２１表面にエッチングのための保護層２２とし
て、シリコン窒化膜を減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）により
０．１ｍ堆積する。
【００４４】次に、図３（ｂ）に示すように、保護層２
２をティップ１２に対応した寸法で矩形状にエッチング
により除去し、第２の基板２１の一部を露出させる。そ
して、第２の基板２１を、１００℃に加熱した水酸化カ
リウム水溶液を用いて結晶異方性エッチングにより加工
し、ティップ１２部分の型となる逆ピラミッド状のティ
ップ用の凹部２３を形成する。
【００４５】凹部２３が形成されたら、図３（ｃ）に示
すように、残りの窒化シリコンを、反応性イオンエッチ
ング法により除去する。さらに、レジストをパターニン
グし、真空蒸着法にてＡｕを１μｍ成膜し、その後、レ
ジストをアセトンで溶解することにより、ティップ１２
となるＡｕのパターンを形成する。
【００４６】続いて、ティップ１２を、あらかじめ形成
してある平板駆動部８の先端上に接着して荷重を加え
（図３（ｄ））、ティップ１２を、第２の基板２１との
界面からひきはがすことにより、図３（ｅ）に示すよう
に基板１に転写する。
【００４７】最後に、図２（ｄ）に示すように、酸化亜
鉛の犠牲層５を、酢酸水溶液にてエッチング除去し、平
板駆動部８と固定電極３間の空隙４を形成する。
【００４８】以上の作製工程により図１に示したトーシ
ョンレバー型プローブを得ることができた。
【００４９】本実施例で作製したトーションレバー型プ
ローブの寸法は、平板駆動部８の長手方向が２００μ
ｍ、幅が８０μｍとし、空隙４の幅は３μｍとした。ま
た、平板駆動部８に対する各梁９の位置は、平板駆動部
８の先端から１３０μｍの位置とした。また、前述した
第１の領域と第２の領域との重量比Ｗは０．８２であっ
た。
【００５０】本実施例のプローブの固定電極３、上電極
７間に電圧を加えて駆動させたところ、ティップ１２先
端の可動距離は、空隙４の幅よりも長い４．３μｍの距
離を得ることができた。また、共振周波数も２６ｋＨｚ
と大きな値が得られた。
【００５１】（第２実施例）図４は本発明のトーション
レバー型プローブの第２実施例を示す斜視図である。
【００５２】本実施例では、各梁１０９の位置が、第１
実施例よりもさらに平板駆動部１０８の後端側に配置さ
れ、それに伴って第１の領域と第２の領域との重量比Ｗ
が大きくなるのを防止するために、第２の領域、すなわ
ち平板駆動部１０８の後端部に重り１１４が設けられて
いる。その他の構成は第１実施例と同様であるので、そ
の説明は省略する。
【００５３】このように、各梁１０９の位置をより平板
駆動部１０８の後端側に配置しても、重り１１４により
第２の領域の重量を調整することで、２つの領域の重量
比Ｗを１より小さくし、回転軸前後の慣性モーメントを
第１の領域と第２の領域とを近付けることができるた
め、ティップ１１２の可動距離を大きくしつつも、平板
駆動部１０８の共振周波数の低下を抑制することができ
る。
【００５４】次に、本実施例によるトーションレバー型
プローブの作製工程を、図５を用いて説明する。
【００５５】図５は図４に示したプローブの作製工程図
である。
【００５６】まず、第１実施例と同様にして、基板１０
１上に固定電極１０３、その上に犠牲層１０５、さらに
その上に平板駆動部１０８、梁１０９および支持部１１
０を形成し、平板駆動部１０８の上に上電極１０７、電
極配線１１３を形成する（図５（ａ））。
【００５７】次に、レジストを塗布、パターニングした
後、酸化シリコンをスパッタリング法により１μｍ堆積
させる。そして、レジストおよびレジスト上の酸化シリ
コン膜を除去することにより、残った酸化シリコン膜が
重り１１４となる（図５（ｂ））。
【００５８】続いて、第１実施例と同様にして、ティッ
プ１１２を平板駆動部１０８上に形成し（図５
（ｃ））、最後に犠牲層１０５を溶解除去してトーショ
ンレバー型プローブを得た（図６（ｄ））。
【００５９】作製したプローブの寸法は、平板駆動部１
０８の長手方向が１８０μｍ、幅が７０μｍとし、空隙
１０４の幅は２．５μｍとした。また、平板駆動部１０
８に対する各梁１０９の位置は、平板駆動部１０８の先
端から１３０μｍの位置とした。また、前述した第１の
領域と第２の領域との重量比Ｗは０．９であった。
【００６０】本実施例のプローブの固定電極１０３、上
電極１０７間に電圧を加えて駆動させたところ、ティッ
プ１１２先端の可動距離は空隙１０４の幅よりも大き
い、４．９μｍの可動距離を得ることができた。また、
共振周波数も２８ｋＨｚと十分大きな値が得られた。
【００６１】（第３実施例）図６は本発明のトーション
レバー型プローブの第３実施例を示す斜視図である。
【００６２】本実施例では、図６に示すように、平板駆
動部２０８の第２の領域に空孔２１５を有する点が第１
実施例と異なる。その他の構成、製造方法は第１実施例
と同様であるので、その説明は省略する。
【００６３】このような構造を有することにより、本実
施例のプローブは、平板駆動部２０８と基板２０１との
間に存在する空気に起因するダンパー効果の影響を、よ
り低減することができる。したがって、トーションレバ
ー型プローブの高速駆動性能の低下を防止できる。
【００６４】作製したプローブの寸法は、平板駆動部２
０８の長手方向が２００μｍ、幅が８０μｍとし、空隙
２０４の幅は３μｍとした。また、平板駆動部２８に対
する各梁２０９の位置は、平板駆動部２０８の先端から
１３０μｍの位置とした。また、前述した第１の領域と
第２の領域との重量比Ｗは０．８６であった。さらに、
ダンパー効果低減用の空孔の直径は１０μｍとした。
【００６５】本実施例のトーションレバー型プローブの
固定電極２０３、上電極２０７間に電圧を加えて駆動さ
せたところ、ティップ２１２先端の可動距離は空隙２０
４幅よりも大きい、４．３μｍの可動距離を得ることが
できた。また、共振周波数も２６ｋＨｚと大きな値が得
られた。
【００６６】（第４実施例）図７は本発明のトーション
レバー型プローブの第４実施例を示す斜視図である。
【００６７】本実施例では、図７に示すように、平板駆
動部３０８の形状が略羽子板状になっており、握りにあ
たる部分の先端にティップ３１２、もう一端の固定電極
３０３と対向する位置に上電極３０７を有し、２つの梁
３０９が平板駆動部３０８の中央よりも上電極３０７側
（後端側）に配置されている点が第１実施例と異なる。
その他の構成、製造方法は第１実施例と同様であるの
で、その説明は省略する。
【００６８】作製したプローブの寸法は、平板駆動部３
０８の長手方向が２２０μｍ、幅が８０μｍとし、空隙
３０４の幅は２．５μｍとした。また、平板駆動部３０
８に対する各梁３０９の位置は、平板駆動部３０８の先
端から１４０μｍの位置とした。また、前述した第１の
領域と第２の領域との重量比Ｗは０．９６であった。
【００６９】このような構成においても、第１実施例と
同様に、回転軸に対して、ティップ３１２を有する先端
側が後端側よりも長いため、ティップ３１２先端の可動
距離を空隙３０４幅より長くすることができる。
【００７０】本実施例のプローブの固定電極３０３、上
電極３０７間に電圧を加えて駆動させたところ、ティッ
プ３１２先端の可動距離は空隙３０４の幅よりも大き
い、３．３μｍの可動距離を得ることができた。また、
共振周波数も２４ｋＨｚと大きな値が得られた。
【００７１】（第５実施例）図８は本発明のトーション
レバー型プローブの第５実施例を示す斜視図である。
【００７２】本実施例では、図８に示すように、ティッ
プ４１２を有する第１の領域が短冊状の形状になってお
り、その先端にティップ４１２を有する点が第１実施例
と異なる。その他の構成、製造方法は第１実施例と同様
であるので、その説明は省略する。
【００７３】作製したプローブの寸法は、平板駆動部４
０８の長手方向が２００μｍ、幅が８０μｍとし、空隙
４０４の幅は２．５μｍとした。また、平板駆動部４０
８に対する各梁４０９の位置は、平板駆動部４０８の先
端から１３８μｍの位置とした。また、前述した第１の
領域と第２の領域との重量比Ｗは０．５であった。
【００７４】このような構成においても、第１実施例と
同様に、回転軸に対して、ティップ４１２を有する先端
側が後端側よりも長いため、ティップ４１２先端の可動
距離を空隙４０４の幅より長くすることができる。
【００７５】本実施例のプローブの固定電極４０３、上
電極４０７間に電圧を加えて駆動させたところ、ティッ
プ４１２先端の可動距離は空隙４０４幅よりも大きい、
３．４μｍの可動距離を得ることができた。また、共振
周波数は１８ｋＨｚであった。
【００７６】なお、上述した第１実施例から第５実施例
は、静電力により駆動するトーションレバー型プローブ
を説明しているが、駆動の方法は本発明を限定するもの
ではなく、磁力による吸引、反発力、あるいは、熱によ
る梁の変形等を利用することも考えられる。
【００７７】（第６実施例）本実施例では、本発明のト
ーションレバー型プローブを複数本（９本）用いた走査
型プローブ顕微鏡について述べる。
【００７８】図９は本発明のプローブを用いた走査型プ
ローブ顕微鏡の一実施例の主要構成を示すブロック図で
ある。
【００７９】図９において、ＸＹステージ５７には、前
述した各実施例に示したものと同様のプローブ５１が配
置されている。また、被観察基板５５には、複数のプロ
ーブ５１（１つのみ図示）が対向して配置されており、
駆動制御部４９およびトンネル電流検出部４１は、これ
ら複数のプローブ５１に対して、それぞれ１つずつ設け
られている。したがって、各プローブ５１によるトンネ
ル電流検出、および各プローブ５１の変位制御などはそ
れぞれのトンネル電流検出部４１、駆動制御部４９によ
り独立して行なわれている。
【００８０】トンネル電流検出部４１は、ティップ５４
と被観察基板５５の間に流れるトンネル電流を増幅する
回路である。
【００８１】駆動制御部４９は、サーボ回路４２、Ｘ―
Ｙ走査回路４３およびＸＹステージ５７により構成され
ている。サーボ回路４２は、ティップ５４のＺ軸方向の
駆動を制御する回路であり、プローブ５１の固定電極
（不図示）に制御電圧を印加し、ティップ５４を駆動さ
せる。Ｘ―Ｙ走査回路４３は、ＸＹステージ５７を駆動
し、プローブ５１をＸ、Ｙ方向に走査する回路である。
【００８２】また、信号処理部４８は、メモリー４４、
マイクロコンピュータ４５、およびディスプレイ４６に
より構成されている。メモリー４４は、サーボ回路４２
の出力、およびプローブ５１のＸ、Ｙ方向の位置情報を
一時的に記憶しておく回路である。マイクロコンピュー
タ４５は、メモリー４４に記憶してあるデータを処理す
るもので、マイクロコンピュータ４５からの処理情報に
基づいてディスプレイ４６に画像が表示される。
【００８３】このような構成において、測定時は、ＸＹ
ステージ５７によりプローブ５１をＸ、Ｙ方向に走査し
ながら、ティップ５４と被観察基板５５との間に流れる
トンネル電流を検知する。検知したトンネル電流をトン
ネル電流増幅器４１で増幅し、サーボ回路４２に送る。
【００８４】サーボ回路４２は、プローブ５１の走査中
に、プローブ５１の固定電極（不図示）へ制御電圧を印
加し、トンネル電流が一定になるように、ティップ５４
のＺ軸方向（高さ方向）の制御を行なう。
【００８５】このサーボ回路４２の出力から、被観察基
板５５のＺ軸方向の情報が得られる。この情報と、プロ
ーブ５１をＸ、Ｙ方向に走査することによって得られる
被観察基板５５表面の２次元の情報とをマイクロコンピ
ュータ４５で処理し、ディスプレイ４６に出力すること
で、被観察基板５５の表面情報を画像情報として見るこ
とができる。
【００８６】上述した走査型プローブ顕微鏡は、本発明
のプローブを備えることにより、ティップの可動距離を
十分もち、制御がしやすく、共振周波数の低下が抑制さ
れた高速駆動が可能なシステムとなる。
【００８７】なお、ＸＹステージ５７の走査機構は、円
筒型ピエゾアクチュエータ、平行バネ、差動マイクロメ
ーター、ボイスコイル、あるいはインチウオーム等の制
御機構を用いて行なった。
【００８８】また、上記走査型プローブ顕微鏡を用い
て、表面の一部に３μｍ程度のうねりがあるＡｕ基板表
面の測定を行なった。その結果、基板のうねりが大きい
にもかかわらず、９本のプローブとも基板のうねりに良
好に追従し、分解能の高い基板表面情報を得ることがで
きた。
【００８９】（第７実施例）本実施例では、本発明のト
ーションレバー型プローブを複数本（２５本）用いた記
録再生装置について述べる。
【００９０】図１０は本発明のプローブを複数本用いた
記録再生装置の一実施例の主要構成を示すブロック図で
ある。
【００９１】図１０において、本記録再生装置は、記録
媒体６５への情報の記録、および記録媒体６５に記録さ
れた情報を再生する記録再生ヘッド部７６と、記録再生
ヘッド部７６の駆動制御、および記録媒体６５に対して
情報の記録あるいは再生を行なう記録再生回路７５とに
よって構成されている。
【００９２】記録媒体６５には、複数の記録再生ヘッド
部７６（１つのみ図示）が対向して配置されており、記
録再生回路７５は、これら複数の記録再生ヘッド部７６
に対して、それぞれ１つずつ設けられている。したがっ
て、各プローブ６１による記録、再生、および各プロー
ブ６１の変位制御（トラッキング、間隔調整等）などの
要素はそれぞれの記録再生回路７５により独立して行な
われている。
【００９３】記録再生ヘッド部７６は、前述した各実施
例で示したものと同様のプローブ６１と、プローブ６１
をＸ、Ｙ方向に走査するＸＹステージ６７とで構成され
る。
【００９４】この記録再生ヘッド部７６と対向するよう
に、情報記録用の記録媒体６５が配置されており、記録
媒体６５の下には、記録媒体６５とプローブ６１上のテ
ィップ６４との間に電圧を印加するための下地電極６６
が配置してある。
【００９５】記録媒体６５は、ティップ６４から発生す
るトンネル電流により記録媒体６５表面の形状を凸型
（Ｓｔａｕｆｅｒ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ、５１（４）、２７、Ｊｕｌｙ、１９８７、ｐ２４４
参照）または凹型（Ｈｅｉｎｚｅｌｍａｎｎ、Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ.５３，Ｎｏ．
２４Ｄｅｃ．，１９８８．ｐ２４４７参照）に変形する
ことが可能な金属、半導体、酸化物、有機薄膜、あるい
はトンネル電流により電気的性質が変化（たとえば電気
的メモリー効果を生じる）する有機薄膜等からなる物質
で構成される。
【００９６】電気的性質が変化する有機薄膜としては、
例えば特開昭６３ー１６１５５２号公報に記載された材
料を使用し、ラングミュア・ブロジェット膜（ＬＢ膜）
からなるものが好ましい。本実施例では、石英ガラス基
板の上に、下地電極６６としては、真空蒸着法によって
Ｃｒを５ｎｍ堆積させ、さらにその上にＡｕを３０ｎｍ
同法により蒸着したものを用い、さらに、その上に記録
媒体６５として、ＬＢ法によってＳＯＡＺ（スクアリリ
ウムービスー６ーオクチルアズレン）を４層積層したも
の等を用いた。
【００９７】なお、ＸＹステージ６７の走査機構として
は、円筒型ピエゾアクチュエータ、平行ばね、差動マイ
クロメーター、ボイスコイル、またはインチウオームな
どの制御機構を用いて行った（不図示）。
【００９８】一方、記録再生回路７５は、データ変調回
路６８、記録電圧印加装置６９、記録信号検出回路７
０、データ復調回路７１、ティップ高さ検出回路７２、
ｘ，ｚ軸駆動制御回路７４およびトラック検出回路７３
により構成されている。
【００９９】データ変調回路６８は、データの記録時
に、記録すべきデータを記録に適した信号に変調する回
路である。
【０１００】記録電圧印加装置６９は、記録媒体６５上
にデータを記録、または記録媒体６５上のデータを再生
するために、記録媒体６５とティップ６４の間に、電圧
を印加する装置である。
【０１０１】記録信号検出回路７０は、ティップ６４と
記録媒体６５との間に電圧を印加した際に、両者間に流
れるトンネル電流を検出する回路である。
【０１０２】また、データ復調回路７１は、データ再生
時に、記録信号検出回路７０が検出したトンネル電流信
号からデータを復調する回路である。
【０１０３】ティップ高さ検出回路７２は，記録信号検
出回路７０の検出信号を受け、情報ビットの有無による
高周波振動成分をカットし、残った信号を処理して、こ
の残りの信号値が一定になるようにｘ，ｚ軸駆動制御回
路７４に制御信号を発信する回路である。ｘ，ｚ軸駆動
制御回路７４は、ティップ高さ検出回路７２からの制御
信号を受けて、ティップ６４の上下動を行なう回路であ
る。このティップ高さ検出回路７２とｘ，ｚ軸駆動制御
回路７４とによって、ティップ６４と記録媒体６５との
間隔が一定に保たれる。
【０１０４】トラック検出回路７３は、ティップ６４が
記録媒体６５上を走査する際に、記録媒体６５上のデー
タが記録されるべき経路、あるいは記録されたデータ列
からのずれを検出する回路である。このトラック検出回
路７３によって、記録あるいは再生の際のトラック検出
を行なう。
【０１０５】以上のような構成において、データを記録
媒体６５上に記録するには、ティップ６４を記録媒体６
５に所定間隔まで近づけ、記録電圧印加装置６９によっ
て例えば３Ｖ、幅５０ｎｓの矩形状パルス電圧を印加す
る。これにより、記録媒体６５が特性変化を起こし、電
気抵抗の低い部分が生じる。このように、ＸＹステージ
６７によって、ティップ６４を記録媒体６５面上で走査
しながら、記録媒体６５の表面に電気抵抗の低い部分を
データ変調回路６８から出力された信号に対応して形成
することで、情報の記録が行える。
【０１０６】また、データ信号再生時には、ティップ６
４と記録媒体６５とを所定間隔にし、記録電圧より低
い、例えば２００ｍＶの直流電圧を、ティップ６４と記
録媒体６５間に加える。この状態で、ティップ６４を記
録媒体６５上の記録データ列に沿って走査させると、記
録信号検出回路７０によって検出されるトンネル電流信
号が記録データ信号に対応する。この検出したトンネル
電流信号を電流電圧変換し、電流電圧変換した信号を、
データ復調回路６８で復調することにより再生データ信
号を得ることができる。
【０１０７】上述した記録再生装置は、本発明のプロー
ブを備えることにより、ティップの可動距離を十分も
ち、制御がしやすく、共振周波数の低下が抑制された高
速駆動が可能なシステムとなる。
【０１０８】なお、本実施例による記録媒体６５に用い
る記録層は、ティップ６４と記録層との間に流れるトン
ネル電流により記録層に書き込まれた情報を検出できる
ものであればどのような材料でも用いることができる。
例えば、表面に凹凸を形成し記録するものではＨＯＰＧ
（HighlyーOrientedーPyrolithicーGraphite） 劈開基板、
Ｓｉウエハー、真空蒸着またはエピタキシャル成長させ
たＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｃｕなどの金属薄膜、ある
いは、Ｒｈ25Ｚｒ75、Ｃｏ35Ｔｂ65 などのガラス金属
があげられる。表面の電子状態により記録するものでは
アモルファスＳｉ、π電子系有機化合物やカルコゲン化
合物の薄膜層などがあげられる。
【０１０９】本実施例で使用した石英ガラス基板の一部
には、うねりが３μｍ程度存在していたが、基板のうね
りが大きいにもかかわらず、２５本すべてのプローブと
も基板のうねりに良好に追従し、エラー無く記録再生を
行なうことができた。
【０１１０】本実施例は、記録再生装置であるが、記録
または再生のみの装置、または走査型トンネル電流検知
装置であっても本発明が適用可能であることは言うまで
もない。
【０１１１】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載する効果を奏する。
【０１１２】請求項１に記載のプローブにおいては、平
板駆動部の一端から他端までの間の中央よりも他端側に
２つの梁それぞれを配置することで、回転軸からの距離
は、ティップを有する一端側の方が、ティップを有しな
い他端側よりも長くなるため、平板駆動部を駆動させた
場合に、空隙の幅に対して、ティップの可動距離を長く
することができる。したがって、ティップの可動距離を
十分にもった制御しやすいプローブを得ることができ
る。
【０１１３】請求項２、３、および４に記載のプローブ
においては、ティップを有する第１の領域と、ティップ
を有しない第２の領域の重量比Ｗを、第１の領域の重量
／第２の領域の重量＜１にすると、回転軸となる梁の位
置が平板駆動部の他端側にあっても、駆動時の慣性モー
メントが回転軸前後で均一な値に近づけることができる
ため、共振周波数の低下を抑制できる。その結果、プロ
ーブの駆動性能の高速性を維持できるため、特に高速性
が要求される記録再生装置に有効である。また、重量比
Ｗを０．５＜Ｗ＜１とすることにより、第１の領域の強
度の低下を抑えつつ、２つの領域の慣性モーメントの値
を近づけることができる。さらに、０．８＜Ｗ＜１とす
ると、第１の領域お強度の低下をより抑えることができ
る。
【０１１４】請求項５に記載のプローブにおいては、平
板駆動部を２つの梁を通る直線で２つの領域に２分した
ときの、ティップを有しない領域に空孔を有すること
で、平板駆動部と基板との間に存在する空気に起因する
ダンパー効果の影響を、より低減することができる。し
たがって、プローブの高速駆動性能の低下を防止でき
る。
【０１１５】請求項６に記載のプローブにおいては、外
部からの電圧印加による静電引力で変位するため、サイ
ズに比して大きな変位を行うことが可能であり、十分な
変位量を確保できる。
【０１１６】そして請求項７および８に記載した本発明
の走査型プローブ顕微鏡および記録再生装置は、上述し
た本発明のプローブを備えることにより、ティップの可
動距離を十分もち、制御がしやすく、しかも共振周波数
の低下が抑制された高速駆動が可能なシステムが得られ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明のトーションレバー型プローブを
示す図であり、同図（ａ）は、その斜視図、同図（ｂ）
はそのＡ−Ａ’断面図である。
【図２】図１に示したプローブの作製工程図である。
【図３】図１に示したプローブのティップの作製工程図
である。
【図４】本発明のトーションレバー型プローブの第２実
施例を示す斜視図である。
【図５】図４に示したプローブの作製工程図である。
【図６】本発明のトーションレバー型プローブの第３実
施例を示す斜視図である。
【図７】本発明のトーションレバー型プローブの第４実
施例を示す斜視図である。
【図８】本発明のトーションレバー型プローブの第５実
施例を示す斜視図である。
【図９】本発明のプローブを複数本用いた走査型プロー
ブ顕微鏡の一実施例の主要構成を示すブロック図であ
る。
【図１０】本発明のプローブを複数本用いた記録再生装
置の一実施例の主要構成を示すブロック図である。
【図１１】従来のトーションレバー型プローブを示す斜
視図である。
【図１２】図１１に示したプローブのＡ−Ａ’線断面図
であり、同図（ａ）はプローブの非駆動時の様子を表わ
す図、同図（ｂ）はプローブの駆動時の様子を表わす図
である。
【符号の説明】
１、１０１、２０１ 基板 ２、１０２ 絶縁層 ３、１０３、２０３、３０３、４０３ 固定電極 ４、１０４、２０４、３０４、４０４ 空隙 ５、１０５ 犠牲層 ７、１０７、２０７、３０７、４０７ 上電極 ８、１０８、２０８、３０８、４０８ 平板駆動部 ９、１０９、２０９、３０９、４０９ 梁 １０、１１０ 支持部 １２、１１２、２１２、３１２、４１２ ティップ １３、１１３ 電極配線 １４ 開口部 ２１ 第２の基板 ２２ 保護層 ２３ 凹部 ４１ トンネル電流検出部 ４２ サーボ回路 ４３ Ｘ−Ｙ走査回路 ４４ メモリー ４５ マイクロコンピュータ ４６ ディスプレイ ４８ 信号処理部 ４９ 駆動制御部 ５１ プローブ ５４ ティップ ５５ 被観察基板 ５７ ＸＹステージ ５８ 平板駆動部 ６１ プローブ ６２ 平板駆動部 ６４ ティップ ６５ 記録媒体 ６６ 下地電極 ６７ ＸＹステージ ６８ データ変調回路 ６９ 記録電圧印加装置 ７０ 記録信号検出回路 ７１ データ復調回路 ７２ ティップ高さ検出回路 ７３ トラック検出回路 ７４ ｘ，ｚ軸駆動制御回路 ７５ 記録再生回路 ７６ 記録再生ヘッド部 １１４ 重り ２１５ 空孔

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に空隙を介して形成された平板駆
    動部と、前記基板に平行な同一直線上に配置され前記平
    板駆動部を前記基板に対して回転自在に支持する２つの
    梁と、前記平板駆動部を駆動する駆動手段と、前記平板
    駆動部の一端に設けられた情報入出力用のティップとを
    有するトーションレバー型のプローブであって、 前記２つの梁は、それぞれ前記平板駆動部の一端から他
    端までの間の中央よりも他端側に配置されていることを
    特徴とするプローブ。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のプローブにおいて、 前記２つの梁を通る前記平板駆動部の回転軸で前記平板
    駆動部を２つの領域に２分し、前記ティップを有する領
    域を第１の領域とする一方、前記ティップを有しない領
    域を第２の領域としたとき、前記２つの領域の重量比
    は、第１の領域の重量／第２の領域の重量＜１の関係を
    満たすことを特徴とするプローブ。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載のプローブにおいて、 前記２つの領域の重量比が０．５＜第１の領域の重量／
    第２の領域の重量＜１であることを特徴とするプロー
    ブ。
  4. 【請求項４】 請求項２に記載のプローブにおいて、 前記２つの領域の重量比が０．８＜第１の領域の重量／
    第２の領域の重量＜１であることを特徴とするプロー
    ブ。
  5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれか１項に記載
    のプローブにおいて、 前記平板駆動部を前記２つの梁を通る直線で２つの領域
    に２分したときの、前記ティップを有しない領域に空孔
    を有することを特徴とするプローブ。
  6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれか１項に記載
    のプローブにおいて、 前記駆動手段は、前記基板および前記平板駆動部の、互
    いに対向する部位に設けられた一対の電極であることを
    特徴とするプローブ。
  7. 【請求項７】 請求項１ないし６のいずれか１項に記載
    のプローブと、 前記プローブの駆動を制御する駆動制御部と、 前記ティップと観察すべき試料との間のトンネル電流を
    検出するトンネル電流検出部と、 前記試料の表面情報を処理する信号処理部とを備えたこ
    とを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
  8. 【請求項８】 請求項１ないし６のいずれか１項に記載
    のプローブと、 前記プローブの駆動を制御し、記録媒体上に信号を記録
    もしくは再生する手段を有する記録再生回路を備えたこ
    とを特徴とする記録再生装置。
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