JPH04350510A

JPH04350510A - マルチプローブユニット、情報処理装置、走査型トンネル顕微鏡、カンチレバー型プローブ

Info

Publication number: JPH04350510A
Application number: JP3149323A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Shinjo; 克彦新庄; Keisuke Yamamoto; 敬介山本; Takayuki Yagi; 隆行八木; Toshimitsu Kawase; 俊光川瀬; Osamu Takamatsu; 修高松; Katsunori Hatanaka; 勝則畑中; Yuji Kasanuki; 有二笠貫; Yoshio Suzuki; 義勇鈴木; Yasuhiro Shimada; 康弘島田; Yutaka Hirai; 裕平井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-05-27
Filing date: 1991-05-27
Publication date: 1992-12-04
Anticipated expiration: 2015-03-06
Also published as: JP3015974B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物質の表面を高分解で
観察できる、あるいは記録媒体間での情報の入出力に携
わるプローブ（探針）を自由端部に有したカンチレバー
型プローブに係るものであり、さらにはその駆動方法、
それを用いた情報処理装置及び原子間力顕微鏡等に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年において、導体の表面原子の電子構
造を直接観測できる走査型トンネル顕微鏡（以下、ＳＴ
Ｍと略す）が開発され（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ　　ｅｔａｌ
．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．４９（１９８２）５
７）、単結晶、非晶質を問わず実空間像を著しく高い分
解能（ナノメートル以下）で測定できるようになった。

【０００３】かかるＳＴＭは、金属のプローブと導電性
物質の間に電圧を加えて、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指数関数的に変化す
るので、トンネル電流を一定に保つようにプローブを走
査することにより、実空間の表面構造を原子オーダの分
解能で観察することができる。

【０００４】しかし、かかるＳＴＭによる解析では導電
性のサンプルに限られ、絶縁性のサンプルの観察にはむ
かないという欠点がある。そこで、新たに原子間力顕微
鏡（Ａｔｏｍｉｃ　　Ｆｏｒｃｅ　　Ｍｉｃｒｏｓｃｏ
ｐｅ；以後ＡＦＭと略す）というアイデアが提唱された
（Ｂｉｎｎｉｇ他Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５６（
１９８６）９３０参照）。かかるＡＦＭは、物質間に働
く力によって物質表面の形状を２次元的に観察するもの
であり、ＳＴＭと異なり電気伝導性のない材料表面や有
機分子がナノメートルオーダーで観察できることから、
広範な応用が期待されている。

【０００５】このＡＦＭは、先端径の小さなプローブ（
探針）を持つカンチレバー部と、このカンチレバーの曲
がりを測定する変位測定部から構成される。また、この
プローブは、カンチレバーの自由端にカンチレバー本体
とは別個に作製される場合や、カンチレバー自体を試料
面に傾斜配置することによりカンチレバーの自由端をプ
ローブとして用いる場合等がある。

【０００６】一般に、物質表面間においては、比較的遠
距離においては分散力による微弱な引力が、近距離では
斥力が働く。カンチレバーの曲がりは、この作用する力
に比例するので、この曲がりを測定することによってプ
ローブ先端とこれに数ｎｍ以内に近接する試料表面間に
働く微弱で局所的な力を検出することが可能となる。さ
らに、試料を走査することで試料表面の力の２次元的情
報が得られる。

【０００７】さらに、カンチレバーの曲がりを一定にす
るようにフィードバックをかけながら走査することによ
り、試料表面の微小な凹凸形状を観察できる。

【０００８】引力モードによるＡＦＭでの分解能は、水
平方向で１０ｎｍ程度であり、試料表面に１０ｎｍ程度
の間隔で凹凸を作製し、それをＡＦＭで読み出すことに
よって、１０１２ビット／ｃｍ２近い超高密度のメモリ
を作製することも可能である。

【０００９】しかし、かかるカンチレバーの変位の検出
感度を上げるためには、弾性定数が非常に小さいカンチ
レバーにしなければならない。一方、除振台を用いた装
置では走査系の掃引周波数と防振の点から、カンチレバ
ーの共振周波数を低くすることはできない。特に、記録
再生等を行う情報処理装置に応用する際にはこれは必須
の条件である。

【００１０】また、近年にあっては記録再生装置におけ
るデータの記録容量は年々大きくなる傾向があり、記録
単位の大きさは小さく記録密度は高くなっている。例え
ば光記録によるディジタル・オーディオ・ディスクにお
いては記録単位の大きさは１μｍ２程度にまで及んでい
る。その背景には、メモリ材料開発の活発化があり、有
機色素・フォトポリマーなどの有機薄膜を用いた安価で
高密度な記録媒体が登場している。

【００１１】かかる装置において、前述カンチレバー型
プローブを用いて記録再生を行う場合、プローブと記録
媒体との距離をオングストロームオーダーで制御するこ
と、及び記録媒体上に２次元に配列した情報を記録再生
するために、プローブの２次元走査を数１０オングスト
ロームオーダーで制御することの２点が重要である。さ
らに、記録再生システムの機能向上、特に高速化の観点
から多数のプローブを同時に駆動すること（プローブの
マルチ化）が提案されている。つまり、多数のプローブ
が配置された面積内で上記の精度でプローブと記録媒体
の相対位置を３次元的に制御しなければならない。

【００１２】しかしながら、従来例のカンチレバーでは
、数Ｖ程度の小さな電圧での圧電力のみによる駆動で、
ミクロンオーダーの変位を取り出すことができるが、こ
のことは逆に、ＳＴＭによって試料表面の走査を行う際
、オングストロームオーダーの制御をするには１００μ
Ｖ程度の電源の制御が必要となる。従って、マルチプロ
ーブ型にする際、試料表面と各プローブ間隔を１ナノメ
ーター程度に揃え、かつ各プローブを走査するには数Ｖ
印加した上で１００μＶの制御を行わなければならず、
外来ノイズ、電源自体のノイズ等の影響を鑑みれば非常
に困難である。

【００１３】上記問題点に対して、圧電力駆動のカンチ
レバーと静電駆動部をシーソー型に配置したものが考え
られるが、マルチプローブ型の集積化には不利である。

【００１４】また、上記従来例のカンチレバーをＳｉ基
板上に集積化して面内に多数個設けた場合、カンチレバ
ー一本一本の高さが異なるという問題がある。これは、
圧電体薄膜や電極薄膜の形成の際、通常スパッタリング
や蒸着法が用いられるが、これらの薄膜形成時の面内の
不均一性によるものである。この不均一性から生じる内
部応力や膜厚の違い等から、面内に均一にカンチレバー
の高さを揃えることは非常に困難である。これを記録再
生装置に用いた場合、各カンチレバー部の圧電部分に一
定の高さになるようバイアス電圧を加えなければならな
い。

【００１５】しかし、カンチレバー一本で稼動できる範
囲は±１０μｍ程度であるから、これ以上の反りがある
と、補正ができない。また、仮に補正できたとしても、
各カンチレバー部に独立のバイアス電源が必要となり、
制御系回路も複雑になり、規模が大きくなってしまう。

【００１６】さらに、記録再生装置等において、データ
ー転送速度、及びデーター記録速度を向上させるといっ
た面からも、プローブの数を増やす必要がある。この際
、プローブと記録媒体との間隔を調整しつつ、記録デー
ター列上をプローブが走行する必要がある。しかしなが
ら、記録したデーター列の幅が非常に細く、装置の温度
変化によるドリフト、あるいは外部からの振動などの影
響により、プローブがデーター列からはずれて安定した
記録再生ができなくなる。更に、１つのプローブをデー
ター列に添って走査させると他のプローブがデーター列
からはずれてしまうこととなる。

【００１７】これを解決するために図２９の様な圧電体
７１と電極７２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側にトンネル電流を検知するプロ
ーブ７３を要するカンチレバー型プローブが提案されて
いる。かかる構成によれば、図３０（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であるが
、特にＸ，Ｙ軸の変位量は小さい。例えば、圧電体にＺ
ｎＯを使用し、その微小変位素子の厚さを５μｍ、長さ
を１０００μｍ、幅を２００μｍとしたとき、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。Ｚ軸は充分なス
トロークをもつが、記録面の走査方向、すなわちＸＹ軸
のストロークが大きいとはいえない。このようなカンチ
レバー型プローブにおいて、広域なＳＴＭによる記録再
生装置に用いるには、媒体側のＸＹステージによる微動
駆動が必要であった。

【００１８】また、カンチレバーの作製においてバイモ
ルフ構成をとっているため工程数も複雑で、厚さ方向の
積層数も多いことから、薄膜のカンチレバーが膜中の内
部応力のために反ってしまう問題があった。また、内部
応力の面内分布のために、前述のようにマルチ化すると
、それぞれの反り量がまばらになってしまう。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の問題点
に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、■．カンチ
レバー型プローブにおける、その検出感度の向上及びそ
の共振現象の回避等を同時に満足し得る構成を達成する
点、 ■．カンチレバー型プローブを同一平面内にマルチ配列
して用いる際の、各々のプローブ高さのばらつきを取り
除くような構成を簡便な手段にて達成する点、■．カン
チレバー型プローブの駆動変位に関し、特にその基板面
に平行方向、すなわちＸＹ平面での変位量を大きくし得
る構成を達成する点、等にあり、さらに、かかるカンチ
レバー型プローブを具備した情報処理装置、原子間力顕
微鏡及び走査型トンネル顕微鏡等を提供することにある
。

【００２０】

【課題を解決するための手段及び作用】上記目的は、以
下の構成により達成される。

【００２１】第１に、カンチレバー（片持ばり）形状を
有する弾性変形部と該弾性変形部の先端に例えば物理的
相互作用によって情報入力を行うプローブ（情報入力部
）を有するカンチレバー型プローブにおいて、該カンチ
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一層の圧電体と該圧電体に電圧を印
加するための少なくとも一組の電極とを具備したカンチ
レバー型プローブ、によって達成される。

【００２２】さらに、上記カンチレバー型プローブを用
いた原子間力顕微鏡、情報処理装置、によっても達成す
ることができる。

【００２３】以下、図１〜図４に基づいて、本発明の構
成及び作用を説明する。

【００２４】図１において、１がカンチレバー、２が原
子間力等を検出するためのプローブ（探針）である。図
示するように、断面が変形していない状態（実線）に比
例して、断面がわん曲している状態（点線）では、同じ
力が作用した時の先端の変位量が小さい（大きい矢印と
小さい矢印との比較）。つまり、断面がわん曲している
方が弾性定数が大きくなる。

【００２５】図２（ａ）に示すのは、カンチレバー１の
長手方向に直交する面での断面図であり、幅ａ及び曲げ
方向の厚さｂの場合の変形前の断面２次モーメントＩ０
は数式１のようになる。

【００２６】

【数１】次に、図２（ｂ）に示すように、長手方向のｘ点におけ
る断面が角度θだけわん曲した場合の断面２次モーメン
トＩｘは

【００２７】

【数２】ここで、例えば、ａ＝１００μｍ，ｂ＝２μｍのカンチ
レバーの場合について考察してみると、Ｉ０＝６．７×
１０−２３（ｍ４）となり、一方、θ＝１０°わん曲し
た場合は、Ｉｘ＝１．５×１０−２２（ｍ４）＝２．３Ｉ０となる
。この場合、わん曲したカンチレバーのＩｘが全域にお
いて一定として近似すると、かかるカンチレバー（図２
（ｂ））の共振周波数はわん曲しない場合（図２（ａ）
）の約１．５倍、弾性定数（Ｎ／ｍ）は約２．３倍とな
る。なお、先端の変位量（ｄ）は約２μｍである。

【００２８】次に、カンチレバー１の断面を変形させる
手段について、図３に基づき説明する。本図中、３は基
板、４は圧電体、５，６，７は電極、８は圧電体変形用
電源である。ここで、電極５，６、および電極５，７の
間に同じ電圧を印加することにより、圧電体４が膨張し
ようとするが、基板３により拘束されているため図中点
線のように変形することになる。

【００２９】別の構成による場合を図４に基づいて説明
する。本図中、９，１０は圧電体、１１，１２，１３，
１４，１５は電極、８は圧電体変形用電源である。圧電
体９，１０の分極方向が揃っている場合、電極１１と１
２，１３，１４，１５の間に同じ電圧を印加することに
より、圧電体９は収縮し、圧電体１０は膨張し、結局図
中点線のように変形することになる。

【００３０】以上述べたように、カンチレバーが少なく
とも一層の圧電体を有し、該圧電体の変形によって、カ
ンチレバーの断面を変形させることができ、それによっ
てカンチレバーの弾性定数を変化させることができる。

【００３１】これにより、共振周波数が高く、かつ、測
定される試料に応じて幅広いレンジで弾性定数を変化さ
せることが可能で、かつ、ＡＦＭ系全体の作製が容易と
なり、さらに、高性能なＡＦＭ、情報処理装置を提供す
ることができる。

【００３２】次に、前記目的を達成できる第２の構成は
、カンチレバー形状を有する弾性変形部と該弾性変形部
の先端に例えば物理的相互作用によって情報入力を行う
プローブ（情報入力部）を有するカンチレバー型プロー
ブの駆動方法において、該カンチレバーが少なくとも一
層の圧電体と、該圧電体に電界を印加するための少なく
とも一組の電極とを具備し、かつ、該カンチレバーと該
カンチレバーの支持台との間で平行平板型コンデンサを
構成しており、該平行平板型コンデンサに電圧を印加す
ることにより粗動を行い、該圧電体に電界を印加するこ
とにより微動を行い、かつ、該粗動及び微動の変位方向
が同一になるようにするカンチレバー型プローブの駆動
方法、としている点にある。

【００３３】また、かかる駆動方法を用いる走査型トン
ネル顕微鏡、あるいは情報処理装置によっても、上記目
的は達成される。

【００３４】本発明のポイントは、粗動については大電
圧かつ安定した制御のできる静電力で行い、微動につい
ては小電圧かつ安定した制御のできる電圧力で行う点で
ある。

【００３５】以下、図５〜図７に基づいて本発明の構成
及び作用を説明する。

【００３６】図５に示すように、支持台１６のカンチレ
バーと対向する部分に静電駆動電圧印加のための電極１
７が設けられており、カンチレバーは絶縁体１９、圧電
体２１及び静電駆動のための電極１８、圧電体駆動のた
めの電極２０、トンネル電流検出用プローブ２、トンネ
ル電流引き出し電極２２より構成される。尚、２３は電
流電圧変換増幅器、２４は信号出力、２５は圧電体駆動
用交流電源、２６は静電駆動用直流電源であり、これは
低周波高電圧電源であってもよい。

【００３７】ここで、電極１７，１８間のギャップを数
１０μｍ程度、カンチレバーの寸法を数１００μｍ×数
１０μｍ程度とすると、電極１７，１８間に数１０〜１
００Ｖの電圧を印加することで、カンチレバーの先端は
数μｍ程度変位する。この際、電源２６の安定度は数１
０〜１００Ｖ±１０ｍＶ程度なので、変位のゆらぎは１
オングストローム程度になる。

【００３８】次に、圧電体２１に１Ｖ印加した時のカン
チレバーの先端の変位が１０００オングストローム程度
になるようにカンチレバーを形成しておくことにより、
圧電体２１に数ｍＶ〜数１００ｍＶの電圧を印加するこ
とで１〜１００オングストローム程度の変位量を得る。つまり、２種類の駆動力を合わせることによりミクロン
オーダーの変位が可能で、オングストロームオーダーの
制御が可能となる。特に、複数のプローブを使用する記
録再生等を行う情報処理装置等においては、各プローブ
と記録媒体との間隔を揃えるにあたり、数ミクロン定常
的に変位させた上で、オングストローム程度の変調をか
けるようになるので、上記の方法は有効である。かかる
内容を図示すると、図６のようになる。

【００３９】上記の例では、静電駆動用電極と圧電駆動
用電極が別々であったが、同一の電極を共用してもよい
。図７にその例を示す。本図中、電極２７は接地され、
静電駆動、圧電駆動に共用される。

【００４０】以上述べたような構成によれば、ミクロン
オーダーの変位が可能で、かつオングストロームオーダ
ーの制御性を有するので、集積化が容易になり、高性能
なＳＴＭ、情報処理装置を提供することができる。

【００４１】次に、前記目的を達成できる第３の構成は
、圧電体効果にて変位するカンチレバー型プローブを同
一面内に複数設け、該複数のカンチレバーの各々に対し
て、その反り量を静電効果により独立に位置補正する機
構を設けたマルチプローブ、としている点にある。

【００４２】すなわち、トンネル電流読み出し用の駆動
方法は圧電体による電歪効果を用い、面内の高さの平面
保持は静電効果による駆動方法を用いるものである。こ
の構成により、予め、複数のカンチレバーの反り量を独
立に一本一本静電気により、高さを揃え、面内の不均一
性を補償するものである。

【００４３】以下、図８に基づいて本発明に係るマルチ
プローブユニットを説明する。図示するように、本発明
はＳｉ基板２８上に、電極３４、誘電体３０、電極２９
、圧電体３１、電極２９の順に積層構成されたカンチレ
バーと、ガラス基板３２の上でカンチレバーの背面下方
に電極３３をはり合わせたものにより構成される。２は
トンネル電流検出用プローブである。このようなカンチ
レバー型プローブをＳｉ基板上に複数個形成し、トンネ
ル電流を検知することによって記録，再生を行うもので
ある。

【００４４】ここで、高さを揃えるためには、電極３３
，３４間に電界を加え、あらかじめ静電荷を蓄わえてお
き寸法を調整する。こうして面内の高さを揃えた後、ト
ンネル電流検知時の高さ方向の微少動作は圧電体を用い
る。

【００４５】次に、前記目的を達成できる第４の構成は
、圧電体効果にて変位するカンチレバー型プローブをＳ
ｉ基板４５上に形成される複数の短冊状電極４６の上方
に保持し、前記短冊状電極４６に電圧を加える手段によ
り、静電効果にて前記カンチレバーをその幅方向に駆動
し得るカンチレバー型プローブ、としている点にある（
図９参照）。

【００４６】また、前記静電効果にて駆動し得る手段が
、カンチレバーの幅方向にそれを固有振動させる手段と
することによっても前記目的は達成される。

【００４７】さらに、前記カンチレバー型プローブを複
数個、記録媒体と対向配置し、該カンチレバー型プロー
ブの各々に、圧電体を駆動させる手段と該駆動手段を制
御する制御手段とを設け、かつ、記録媒体とプローブと
の間に印加しうる情報の記録又は再生用バイアス電圧印
加回路を備えた情報処理装置、として前記目的を達成す
ることもできる。

【００４８】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明す
る。

【００４９】（実施例１）本実施例では、図３に示すよ
うな断面形状を有する、本発明に係るカンチレバー型プ
ローブについて説明する。先ず、図１０に基づいて、本
実施例のカンチレバーの製造工程を説明する。厚さ２５
０μｍのＳｉ（１００）基板１０１上に、ＬＰ−ＣＶＤ
法によりシリコン窒化膜１０２，１０３を１μｍ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、Ａｕ電極１０５を１０００オ
ングストローム積層し、パターニングした。さらに、Ｒ
Ｆスパッタ法によりＺｎＯ膜１０４を１μｍ積層し、パ
ターニングした。その上部にＡｕ電極１０６を１０００
オングストローム積層し、パターニングした（図１０（
ａ））。続いて、蒸着法によりタングステンの探針（プ
ローブ）１０７を作製した（図１０（ｂ））。最後に、
ＫＯＨ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１０（ｃ））。

【００５０】ここで、カンチレバーは長さ５００μｍ，
幅１００μｍ，厚さ約２．２μｍの矩形である。このカ
ンチレバーの共振周波数は、１０ｋＨｚであった。次に
、図３の中の電極５，６及び５，７に対応する部分に７
Ｖの電圧を印加した状態で、カンチレバーの共振周波数
を測定したところ、１４ｋＨｚであった。このことから
、カンチレバーの断面がわん曲し、弾性定数が上昇した
ことがわかった。

【００５１】（実施例２）本実施例では、図４に示すよ
うな断面形状を有するカンチレバー型プローブについて
説明する。先ず、図１１に基づいて、本実施例のカンチ
レバーの製造工程を説明する。厚さ２５０μｍのＳｉ（
１００）基板１０１上に、ＬＰ−ＣＶＤ法によりシリコ
ン窒化膜１０２，１０３を１０００オングストローム積
層し、フォトリソグ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、蒸着法によるＡｕ電極１１
１，１１３，１１５（各１０００オングストローム）、
ＲＦスパッタ法によるＺｎＯ膜１１２，１１４（各３０
００オングストローム）を交互に積層し、パターニング
した（図１１（ａ））。その上部に、蒸着法によりタン
グステンの探針（プローブ）１１６を作製した（図１１
（ｂ））。次に、ＫＯＨ液によるＳｉの異方性エッチン
グを行い、カンチレバー型にした（図１１（ｃ））。最
後に、ＣＦ４による反応性イオンエッチングにより、シ
リコン窒化膜１０２，１０３を除去し、カンチレバーを
完成した（図１１（ｄ））。

【００５２】ここで、カンチレバーは長さ３００μｍ，
幅１００μｍ，厚さ約１μｍの矩形である。このカンチ
レバーの共振周波数は、１１ｋＨｚであった。次に、図
４中の電極１１と１２，１３，１４，１５の間に５Ｖ印
加したところ、共振周波数は１５ｋＨｚとなり、弾性定
数が上昇していることがわかった。

【００５３】（実施例３）実施例１のカンチレバー型プ
ローブを用いて、ＡＦＭを作製した。図１２に本実施例
のＡＦＭの構成図を示す。除振台２０１の上に支持台２
０２があり、その上にＸＹステージ２０３，Ｚ微動機構
２０４が構成され、その上部に試料２０５が載せられる
。また、プローブはカンチレバー２０６上の探針２０７
を用いる。ここで、カンチレバーの断面変形用の電源，
電極等は省略してある。信号検出系は、Ｈｅ−Ｎｅレー
ザー２０９からの入射光が、ビームスプリッタ２１０，
光ファイバー２０８を経てカンチレバー２０６先端部に
照射され、その反射光は逆に、光ファイバー２０８，ビ
ームスプリッタ２１０を経て光検出器２１１により電気
信号に変換される（光波干渉法）。出力信号，ＸＹ走査
信号及びＺ方向フィードバック信号は、マイクロコンピ
ュータ２１４により制御され、ＸＹ走査制御部２１２，
Ｚ方向フィードバック制御部２１３を介して、試料２０
５がＸＹ方向に走査され、探針２０７と試料表面との距
離が一定に保たれる。

【００５４】先ず、試料として水晶のへき開面を観察し
たところ、断面形状変形のための電圧の印加の有無によ
らず、像に変化はみられず、どちらの場合も結晶構造に
対応する配列が観察された。

【００５５】次に、試料としてＨＯＰＧ上に液晶分子４
−シアノ−４’−ｎ−デシルビフェニルを積層したもの
を観察したところ、電圧の印加によってＳ／Ｎ比が変化
した。つまり、試料の種類によって、カンチレバーの弾
性定数を変化させたほうが良好な結果を得ることができ
た。

【００５６】（実施例４）本実施例では、実施例１のカ
ンチレバーを用いた記録再生等を行う情報処理装置を示
す。ただし、本実施例においては、カンチレバーの探針
がついている側をＰｔコーティングしてある（図１３参
照：１１７はＰｔコーティング層）。

【００５７】図１４に本実施例の情報処理装置の構成図
を示す。基本構成は実施例３（図１２）と同様で、異な
るところは、探針２０７と記録媒体２１５の間に、情報
記録用のパルス電圧印加装置２１６が付加されている点
である。尚、記録媒体としては、ガラス基板上に成膜し
たＡｕを用いた。

【００５８】このＡｕ薄膜と探針２０７との間に数Ｖ，
数μｓｅｃ程度のパルス電圧を印加して直径約１０ｎｍ
の凸部を形成し、記録ビットとした。次に、ＡＦＭとし
て動作させ、走査周波数３ｋＨｚで記録ビットの読み出
しを行ったところ、断面形状変化のための電極間に１０
Ｖのバイアス電圧を印加した場合、印加なしの時に比較
して、Ｓ／Ｎのよい情報読み出しが可能であった。これ
は、高い走査周波数を用いる場合、カンチレバーの共振
周波数が高いほうが良好な結果を得ることができること
を示している。なお、本実施例においては、パルス電圧
印加によって記録媒体上に凸部を形成し記録を行ったが
、記録媒体上に凹凸の情報を生成しうる方法ならばこの
限りではない。

【００５９】（実施例５）図１５に、本実施例に用いる
カンチレバー型プローブの製造工程図を示す。先ず、カ
ンチレバー側について述べる（図１５■，■，■，■）
。最初に厚さ２５０μｍのＳｉ（１００）基板１０１上
に、ＬＰ−ＣＶＤ法によりシリコン窒化膜１０２，１０
３を５００オングストローム積層し、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１０５を１０００オン
グストローム積層し、パターニングした。さらに、ＲＦ
スパッタ法により圧電体ＺｎＯ膜１０４を１μｍ、抵抗
加熱法によりＡｕ電極１０６を１０００オングストロー
ム、プラズマＣＶＤ法によりアモルファスシリコン窒化
膜１０８を１μｍ積層し、パターニングした（図１５■
）。続いて、抵抗加熱法によってＡｕの引き出し電極１
０９を１０００オングストローム堆積し、パターニング
した。その上部に、蒸着法によりタングステン探針１１
０を作製した（図１５■）。その後、ＫＯＨ液によるＳ
ｉの異方性エッチングを行い、カンチレバーを作製した
（図１５■）。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１５■）。

【００６０】次に、対向電極側について述べる（図１５
■，■，■，■）。先ず、厚さ２５０μｍのＳｉ（１０
０）基板３１０上に、Ｓｉの熱酸化膜３１１を１０００
オングストローム形成した（図１５■）。次に、ＬＰ−
ＣＶＤ法によりシリコン窒化膜３１２，３１３を２００
０オングストローム積層してパターニングし、エッチン
グマスクとした（図１５■）。続いて、抵抗加熱法によ
りＡｕ電極３１４を１０００オングストローム積層し、
パターニングした（図１５■）。さらに、ＫＯＨ液によ
るＳｉの異方性エッチングにより、台形状の基体を形成
した。ここでエッチング深さは約２２０μｍであった（
図１５■）。最後に、カンチレバー部（図１５■）と基
体（図１５■）とを接着し、カンチレバー型プローブを
作製した（図１５■）。

【００６１】カンチレバーは矩形で、３００μｍ×１０
０μｍ，厚さ約２．２μｍであり、電極１０４と電極３
１４の対向面積は３００μｍ×１００μｍ、間隔は約３
０μｍであった。

【００６２】上記工程により作製したカンチレバーを、
以下の要領で駆動させ、カンチレバー先端の変位量を測
定した。（１）電極１０４を接地し、定電圧直流電源により、電
極３１４に０〜１００Ｖの直流電圧を印加した。その時
のカンチレバーの先端の変位量および変位のゆらぎ量を
表１に示す。表１より分かるように、ゆらぎ量／変位量
は、印加電圧の２乗に反比例する。このことから、静電
力駆動は大電圧時に制御性がよいことが分かる。（２）電極１０４を接地し、交流電源により電極１０６
に０〜５Ｖ，１００Ｈｚの電圧を印加した。その時のカ
ンチレバーの先端の変位量および変位のゆらぎ量を表２
に示す。表２より分かるように、ゆらぎ量／変位量は印
加電圧に反比例する。このことから、圧電力駆動は小電
圧時にも制御性がよいことが分かる。

【００６３】（１），（２）の結果より、大電圧印加静
電駆動により極めて安定した大きな変位量がとれ、小電
圧印加圧電駆動により、変位量は小さいものの極めて精
度の高い制御が可能であることが分かった。

【００６４】

【表１】

【００６５】

【表２】

【００６６】（実施例６）実施例５のカンチレバー型プ
ローブで、圧電体に電界を印加するための電極を、カン
チレバーの先端に１００μｍ×５０μｍだけ設けた形状
のものを作製した。実施例５と同様の測定を行ったとこ
ろ、静電力では、１００Ｖ印加で１．８８μｍ±３オン
グストロームの変位圧電力では、１Ｖ印加で１００±０
．５オングストローム以下の変位を得ることができた。

【００６７】（実施例７）実施例６のカンチレバー型プ
ローブを用いたＳＴＭを作製した。図１６に本実施例の
ＳＴＭの構成図を示す。除振台４０１の上にＸＹ走査機
構４０２が設置され、サンプル４０３はＸＹ方向に移動
可能である。また、Ｚ粗動機構４０４上にカンチレバー
４０５が設置され、その先端に探針４０６が作製されて
いる。ＸＹ走査機構４０２はＸＹ駆動回路４０７によっ
て、Ｚ粗動機構４０４はＺ駆動回路４１０によって駆動
される。また、カンチレバー４０５は、静電駆動回路４
１１により粗動ができ、圧電駆動（フィードバック）回
路４１２によりサンプル４０３と探針４０６間に流れる
トンネル電流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４０８によりサン
プル，探針間にバイアス電圧が印加され、トンネル電流
はトンネル電流検出回路４０９により検出される。すべ
ての回路は、マイクロコンピュータ４１３により統一し
て制御され、観察結果は表示装置４１４に表示される。

【００６８】本実施例においては、探針のサンプルへの
接近はリニアアクチュエータなどのＺ粗動機構である程
度接近させた後、トンネル電流が流れる領域への接近は
カンチレバーの静電駆動により行っている。この方法は
、高精度であるとともに従来の積層型圧電素子等を用い
る方法に比べ、駆動部を軽量小型化することができ、外
的な振動ノイズに対し強いＳＴＭとなった。

【００６９】（実施例８）実施例６のカンチレバー型プ
ローブを用いた情報処理装置を作製した。図１７に、本
実施例の装置の構成図を示す。除振台５０１上にＸＹ走
査機構５０２が設置され、さらにその上部に記録媒体５
０３が設置されている。ＸＹ走査機構５０２はＸＹ駆動
回路５０８により駆動され、記録媒体５０３にはバイア
ス印加回路５０９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あるいはパルス電圧が印
加される。Ｚ駆動回路５１０によって粗動できるＺ粗動
機構５０４上には、１０ｍｍ角のマルチプローブ基板５
０５が設置されており、４×４＝１６本のカンチレバー
５０６が作製されている。各カンチレバーの先端には、
探針５０７が設けられている。各探針を流れるトンネル
電流は、トンネル電流検出回路５１１により検出され、
各カンチレバーは静電駆動回路５１２及び圧電駆動（フ
ィードバック）回路５１３により駆動される。すべての
回路は、マイクロコンピュータ５１４により制御される
。記録媒体５０３は、マイカ基板にＡｕを１０００オン
グストロームエピタキシャル成長させた上に、有機記録
層を積層したものを用いた。該有機記録層としては、ス
クアリリウム−ビス−６−オクチルアズレンのＬＢ膜（
１層）を使用した。ＬＢ膜の形成法は、特開昭６３−１
６１５５２号公報に開示の方法に従った。

【００７０】ここで、各探針と記録媒体との接近は、各
探針ごとに実施例３の方法で行ったところ、各カンチレ
バーの静電印加電圧は０〜７０Ｖで、すべての探針が記
録媒体（Ａｕ薄膜部）とのトンネリング領域に入ること
ができた。この時の各カンチレバーの変位量は０〜０．
８μｍであった。この状態で、圧電体駆動により各探針
にフィードバックがかけられる。

【００７１】次に、記録再生の方法について述べる。ま
ず、探針の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Ｖｔ
ｈＯＮ以上のパルス電圧（図１８に示す）を印加し、Ｏ
Ｎ状態を生じさせた。該探針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１．０Ｖ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状態となっていることが確認でき
た。

【００７２】次に、探針−Ａｕ間の電圧を、記録層がＯ
Ｎ状態からＯＦＦ状態に変化するしきい値電圧ＶｔｈＯ
ＦＦ以上の１０Ｖに設定し、再び記録位置に印加した結
果、記録状態が消去されＯＦＦ状態に遷移したことも確
認した。

【００７３】上記の装置において、各探針と記録媒体と
の位置セッティングには、静電駆動を用いているため、
探針の高さ方向の制御が高精度となり、かつマルチプロ
ーブ基板５０５部は小型軽量となり、外部振動に強く、
安定した記録，再生，消去を行うことができた。

【００７４】（実施例９）本実施例では、図８（ａ）に
示すマルチプローブユニットについて説明する。６ｍｍ
×６ｍｍ，厚さ０．２ｍｍのＳｉ基板２８上に、後述の
工程で形成したカンチレバーが１２本設けられており、
各カンチレバー上部には、トンネル電流検知用のプロー
ブ２が設けられている。これにガラス基板３２が貼り合
わせてある。尚、１本のカンチレバーのサイズは、幅２
００μｍ，長さ８００μｍである。次に、上記カンチレ
バーの製造方法について図８（ｂ）に基づいて行う。ま
ず、Ｓｉ基板（１００）（厚さ０．３ｍｍ）上に、電極
３４を真空蒸着にて形成後、誘電体薄膜３０，電極２９
，圧電体薄膜３１，電極２９を作製し、フォトリソグラ
フィーおよびエッチングによりパターニングした。つい
で、トンネル電流検知用プローブ２を、成膜とフォトリ
ソグラフィーとリフトオフにより作製した。その後、Ｋ
ＯＨによるＳｉの異方性エッチングによりＳｉ基板２８
の所望の部分を除去した。このようにして作製したＳｉ
基板上の圧電体変位素子を図１９のように貼り合わせて
形成した。尚、ガラス基板３２の厚さは０．２ｍｍとし
た。

【００７５】次に、このようにして作製したマルチプロ
ーブユニットの高さの調整法について述べる。図２０は
マルチプローブユニット、図２１はその位置補正ブロッ
ク図を示したものである。基板２８をあらかじめ平行平
面の台に置き、さらに極めて平行平面な導電体３５を一
定の高さに保持し、その後にトンネル電流検知用プロー
ブ２と導電体３５に一定の電圧をかけ、トンネル電流を
検知する。その後、電極３３−１，３３−２，３３−３
，３３−４に電圧を印加して、各トンネル電流値がほと
んど等しくなるように各電極の電圧を調整した。これに
より、静電気にて位置の補正を行うことができる。

【００７６】（実施例１０）本実施例では、実施例９で
作製したマルチプローブユニットを図２２に示す情報処
理装置に取り付けた。

【００７７】６０１は媒体の基板、６０２は金属電極層
、６０３は記録層である。６０４はＸＹステージ、６０
５はマルチプローブユニット、６０６はマルチプローブ
ユニットの支持体、６０７はマルチプローブユニットを
Ｚ方向に駆動するリニアアクチュエーター、６０８，６
０９はＸＹステージをそれぞれＸ，Ｙ方向に駆動するリ
ニアアクチュエーター、６１０は記録再生用のバイアス
回路である。６１１はプローブ電極から記録層６０３を
介して電極層６０２へ流れる電流を検出する記録再生用
のトンネル電流検出器である。６１２はマルチプローブ
ユニットをＺ軸方向に移動させるためのサーボ回路であ
り、６１３はアクチュエーター６０７を駆動するための
サーボ回路である。６１４はマルチプローブユニットを
Ｚ軸方向に動かすための駆動回路であり、６１５はＸＹ
ステージの位置制御を行う駆動回路である。６１６はこ
れらの操作を制御するコンピュータである。

【００７８】本実施例では、この情報処理装置にあらか
じめ実施例９により高さを揃えたマルチプローブユニッ
トを取りつけ、記録媒体としてガラス基板上にＣｒ／Ａ
ｕを蒸着し、その上部にポリイミドＬＢ膜を４層（約２
０オングストローム）成膜したものを用いた。尚、この
記録媒体にはパルス電圧を加えると記録媒体の抵抗率が
２ケタ程度変化する特徴がある。

【００７９】次に、マルチプローブユニットの圧電駆動
部に電圧をかけ、独立にカンチレバー部を動作させる。記録媒体の電極とカンチレバー先端のトンネル電流検知
用プローブとの間に１．５Ｖの電圧をかけ、それぞれの
プローブが１０−８Ａ程度のトンネル電流になるように
カンチレバー部の高さを調整した。その後、プローブに
パルス電圧（５Ｖ）を加え、所望の位置に情報を記録し
た。尚、その記録領域は、１００オングストローム×１
００オングストローム程度で非常に小さく、超高密度の
記録を行うことができた。

【００８０】次に、記録媒体の電極とプローブとの間に
１．５Ｖの電圧をかけ、トンネル電流の計測をしたとこ
ろ、記録した部分に抵抗値が変化した部分を検出した。このように、本実施例においては、記録情報の書き込み
、読み出しが行えることを確認した。

【００８１】（実施例１１）本実施例で示すものは、短
冊状電極を有するカンチレバー型プローブである。

【００８２】図９（ａ）に本実施例構成１部分の斜視図
を示す。さらに図９（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。これ
は、Ｓｉ基板４５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。絶縁
層からなる弾性薄膜４１上に、圧電体薄膜４２を挟持し
て圧電体電極４３を形成し、その上端部に情報入出力プ
ローブ４４を形成した圧電薄膜カンチレバーである。こ
の構成では、圧電体層１層、電極１組で、いわゆるユニ
モルフ構成をとった薄膜カンチレバーでできている。こ
の圧電体電極４３に電界を加えると、薄膜カンチレバー
の厚さ方向に駆動する（図中Ｚ軸）。この構成によると
、圧電薄膜カンチレバーの積層数が従来のバイモルフ構
造よりも少ないので内部応力による反りも緩和される。

【００８３】さらに、Ｓｉ基板４５上に形成された短冊
状電極４６に電界を加えると、静電気によりＹ軸方向に
駆動することができる。なお、４７はｎ−Ｓｉでできた
支持体で、４９は短冊状電極４６の取り出し電極である
。これは、Ｙ軸方向の静電アクチュエーターを内蔵した
構成をとっている。

【００８４】このＹ軸への駆動原理を図２３に基づいて
説明する。この原理は例えば、生産研究第４１巻第１２
号、１９８９年１２月に掲載されている。これは、静電
気によって動作をするものである。

【００８５】図２３（ａ）に示すように、電圧を印加す
ると抵抗体内で電荷が動き、絶縁体５２が帯電する。次
に図２３（ｂ）のように絶縁体５１は帯電する。次に図
２３（ｃ）のように印加電圧をかけると、反発作用が起
こる。その結果、図２３（ｄ）の矢印に示すように駆動
することができる。

【００８６】本発明においては、この原理を用いて短冊
状電極４６に、それぞれある電界を加えて薄膜カンチレ
バーをＹ軸に働く力を発生させるものである。つまり、
図９（ａ）に示したように、薄膜カンチレバーの裏面に
ある弾性薄膜４１が絶縁層となり、さらに短冊状電極４
６と薄膜カンチレバーとの空間が絶縁層となっている。つまり、上述したように短冊状電極４６にある交流の電
界を加えると、薄膜カンチレバーがＹ軸方向に駆動する
ものである。これは、交流の電界の周波数を、薄膜カン
チレバーの幅方向の固有振動数と一致させると、Ｙ軸方
向に振動する。すなわち、このＹ軸の固有振動数で振動
するモードをＹ軸のストロークとすることを特徴として
いる。

【００８７】次に、この構成を得るための工程を図２４
を用いて説明する。図２４（ａ）に示すのは、ｎ型Ｓｉ
（１００）基板４５にＢ（ボロン）を選択的に拡散させ
、Ｐ＋層にして短冊状の電極４６を形成したものである
。ここでは図示してないが、Ｙ方向に短冊状電極４６が
多数配置してある。次に、１１００℃でＳｉＣｌ４を用
いＰＨ３をドーパントとして１．５μｍエピタキシャル
成長させ、ｎ型のエピタキシャル層４７を得る。次に、
選択的に再度Ｂを拡散させてＰ＋層４８を形成した。こ
れは電極４６の引出し用である。また基板４５とエピタ
キシャル層４７とをｎ型にするのは、Ｐ＋の電極と電気
的に分離するためである。次に、ＬＰＣＶＤによるＮＨ
３とＳｉＨ２Ｃｌ２の気相成長により、Ｓｉ３Ｎ４で形
成した弾性薄膜４２を４００ｎｍ成膜し、カンチレバー
の形を得るためのパターニングを行った。図２４（ｂ）
にその断面図、図２４（ｃ）にその上面図を示す。

【００８８】次に、図２４（ｂ）において、金属を例え
ば、Ｃｒ，Ａｕの順にそれぞれ３ｎｍ，２００ｎｍ程度
蒸着し圧電体電極４３を形成する。電極材としては、Ｓ
ｉの異方性エッチングの際に腐食されないＡｇ，Ｐｄ，
Ｐｔ等でも良い。次に、圧電体例えばＡｌＮ，ＺｎＯ，
ＰＺＴ等をスパッタ蒸着し約１μｍ成膜しパターニング
して圧電体薄膜４２を形成した。次に、短冊状電極４６
の引出しのために、弾性薄膜４１をパターニングし、Ｐ
＋拡散層４８のコンタクトホールを形成し、さらに電極
４３としてＡｕを２００ｎｍ蒸着しパターニングして、
電極４３及び４９を形成した。次に、プローブ４４をリ
ソグラフィーとリフトオフと蒸着により形成した。なお
、プローブ材料としては、ＷあるいはＰｔでもよいし、
これらの金属が表面に被覆された導電体であれば良い。

【００８９】最後に、Ｓｉ３Ｎ４の弾性体薄膜４１をマ
スクとしてＳｉの異方性エッチングＫＯＨ，ＮＨ３ＯＨ
あるいはエチレンジアミン、ピカテコール系の水溶液で
行う。この際、電極４６のＰ＋層がストッパーとなり静
電力の駆動間隔がこのエピタキシャル層４７の厚みで決
定される。異方性エッチングにより、最終的に図９で示
されるようなカンチレバー型プローブが得られた。本実
施例では、圧電体薄膜カンチレバーおよび静電アクチュ
エータのサイズを以下のように設定すると、圧電体薄膜
厚　　：１．０μｍ（ＺｎＯ）カンチレバー厚：１．８
μｍカンチレバー長：２００μｍカンチレバー幅：　　５０μｍ静電アクチュエーターサイズ短冊状電極ピッチ：２μｍ絶縁体薄膜厚　　　　：０．４μｍ（Ｓｉ３Ｎ４）絶縁
体−電極間幅：１．５μｍ以下のようなプローブの変位量が得られた。

【００９０】Ｙ軸変位量：±２０μｍ（±５０Ｖ），（
固有振動数８ｋＨｚ）Ｚ軸変位量：±　　３μｍ（±５Ｖ）このようにＺ軸には薄膜カンチレバーがユニモルフ構造
のために、絶対変位量は少しおちるけれども、カンチレ
バーの反りを除ける効果のほうが、大きい。また走査方
向のＹ軸のストロークは充分に大きくとれた。

【００９１】（実施例１２）本実施例では、実施例１１
タイプのカンチレバー型プローブの他の態様を示す。

【００９２】図２５は、実施例１１のカンチレバー型プ
ローブがＳｉ基板上に複数個内蔵されたものである。こ
れも前述実施例１１と同様な製造法で作製した。尚、こ
のＹ軸駆動の短冊型電極４６は図２６の様に配置してあ
る。これは、Ｘ軸の方向の同一延長線上にある薄膜カン
チレバーが同一の短冊型電極で駆動できる。このカンチ
レバーも実施例１１で示したようなサイズでは、Ｘ，Ｙ
軸のストロークが同じだけ大きく取れる。

【００９３】以上の構成により、反りの少ない圧電薄膜
カンチレバーをもち、Ｙ軸のストロークの大きなカンチ
レバー型プローブを提供することが可能となる。

【００９４】（実施例１３）本実施例では、実施例１２
のカンチレバー型プローブを用いて情報の記録、再生等
を行う情報処理装置について述べる。本発明に係る装置
の、情報の記録再生における模式図の１例を図２７に示
す。図２７（ａ）では、基板６３上に、導電性有機材料
からなる導電体薄膜６２を形成した後、有機材料からな
る記録層６３を積層して記録媒体としている。本発明で
は、この記録媒体に、本発明に係るカンチレバー端部に
取り付けたプローブ電極６５を接触させることにより、
記録媒体の表面形状を変化させて記録ビット６４を形成
し、情報の記録を行っている（図２７（ｂ）参照）。

【００９５】また、このプローブ電極６５を記録媒体表
面上に走査させることにより、トンネル電流を利用して
表面形状の変化すなわち記録ビット６４を読み出して記
録再生の再生を行っている。本発明で用いる記録層６２
の材料としては、有機化合物であれば何を用いても構わ
ない。また、その成膜方法として、蒸着法、スパッタ法
あるいはプラズマ重合法、電解重合法等を用いるが可能
である。

【００９６】また、記録層の材料として、ＬＢ法により
単分子膜または単分子累積膜を形成することのできる有
機材料も好適である。このＬＢ法によれば、１分子中に
疎水性部位と親水性部位とを有する有機化合物の単分子
膜又はその累積膜を基板上に容易に形成することができ
、分子オーダーの厚みを有し、かつ大面積にわたって均
一、均質な有機超薄膜を安定に供給することができるた
め、本発明のような高密度な情報の記録再生を行うため
には、記録層の欠陥や記録層表面の凹凸を少なくしなけ
ればならず、この点からＬＢ法は記録層形成に非常に適
している。

【００９７】かかるＬＢ法は、分子内に親水性部位と疎
水性部位とを有する構造の分子において、両者のバラン
ス（両親媒性のバランス）が適度に保たれているとき、
分子は水面上で親水性基を下に向けて単分子の層になる
ことを利用して単分子膜、またはその累積膜を作製する
方法である。

【００９８】疎水性部位を構成する基としては、一般に
広く知られている飽和及び不飽和炭化水素基や縮合多環
芳香族及び、鎖状多環フェニル基等の各種疎水基が挙げ
られる。これらは各々単独又はその複数が組み合わされ
て疎水性部位を構成する。一方、親水性部位の構成要素
として最も代表的なものは、例えばカルボキシル基、エ
ステル基、酸アミド基、イミド基、ヒドロキシル基、さ
らには、アミノ基（１，２，３級及び４級）等の親水性
基等が挙げられる。これらも各々単独又はその複数が組
み合わされて上記分子の親水性部位を構成する。

【００９９】これらの疎水性基と親水性基をバランス良
く併有している有機分子であれば、水面上で単分子膜を
形成することが可能であり、本発明に対して極めて好適
な材料になる。

【０１００】また、導電体薄膜層６２の材料も高い導電
性を有するものであればよく、例えばＡｕ，Ｐｔ，Ａｇ
，Ｐｄ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｗ等の金属やこれら
の合金、さらにはグラファイトやシリサイド，ＩＴＯな
どの導電性酸化物を始めとして数多くの材料が挙げられ
、これらの本発明への適用が考えられる。かかる材料を
用いた電極形成法としても従来公知の薄膜技術で十分で
ある。但し、導電体薄膜層も記録媒体の１部として働く
ため、欠陥が少なく表面の平滑性がよい薄膜を形成でき
る材料及び、薄膜形成法が選択される。尚、導電体薄膜
層の膜厚は記録層の材料及び膜厚にもよるが、安定な情
報の記録再生を行うためには、１０〜５０ｎｍ程度であ
ることが好ましい。

【０１０１】次に、本発明に係る装置を図２８のブロッ
ク図を用いて説明する。図２８中、７０５は記録媒体に
接触して記録を行ったり、トンネル電流を検知して記録
ビットを読み出すためのプローブ電極であり、７０４は
本実施例１２で示したカンチレバー型プローブの概略図
である。７０７は圧電効果にて駆動することができるＺ
方向微動制御機構であり、７０６は静電型アクチュエー
ターにより駆動できるＹ方向微動制御機構である。かか
るカンチレバー型プローブの駆動によりプローブ電極７
０５から記録媒体にアクセスすることによって情報の記
録再生を行う。

【０１０２】対象となる記録媒体は、ＸＹステージ７１
２上に設置される。７１０はバイアス電圧源及びプロー
ブ電流増幅器で、７０９はプローブ電流を読み取り、プ
ローブ電極７０５の高さが一定になるように圧電体にか
ける電圧を制御する再生用サーボ回路である。７１１は
記録用電圧源及びサーボ回路である。７１１から記録用
の電圧がＺ方向微動制御機構７０７に出力され、プロー
ブ電極７０５を上下させて記録媒体に接触して記録を行
うようになっている。但し、この時プローブ電流をモニ
ターして、急激な電流増加、すなわちプローブ電極７０
５と導電体薄膜層７０２の接触を検知し、その後の記録
層７０１とプローブ電極７０５の接触量を制御するよう
にサーボ回路を設け、記録用の印加電圧を調整できるよ
うになっている。また、情報の記録時の接触量（Ｚ方向
押し込み量）は、記録層７０１と導電体薄膜層７０２の
膜厚及び希望する記録ビットの大きさによるが、数ｎｍ
〜５００ｎｍ程度が好ましい。

【０１０３】尚、情報の記録時にプローブ電極７０５と
導電体薄膜層７０２が接触し、プローブ電流が急激に増
加するため、再生用サーボ回路７０９はその間出力電圧
が一定になるようにＨＯＬＤ回路をＯＮにするよう制御
している。７０８はＹ方向にプローブ電極７０５をＹ方
向微動制御機構７０６を用いて移動制御するためのＹ走
査駆動回路である。７１３と７１４は予め１０−９Ａ程
度のプローブ電流が得られるようにプローブ電極７０５
と基板７０３とのＹ方向相対変位を多きくとる（微動制
御機構の範囲外）のに用いられる。これらの各機器は、
全てマイクロコンピューター７１５により中央制御され
ている。また７１６は表示装置を表している。

【０１０４】本発明の実施例１２で説明した微小変位素
子を用いた移動制御における機械的性能を下記に示す。

【０１０５】Ｚ方向微動制御範囲：０．１ｎｍ〜　　　　５μｍＹ方
向微動制御範囲：　　　　１ｎｍ〜　　２０μｍＸ方向
微動制御範囲：　　　　１ｎｍ〜１００μｍなお、Ｘ方
向はＸＹステージの駆動による。

【０１０６】また、用いた記録再生装置の移動制御にお
ける機械的性能は、ＸＹ方向粗動制御範囲：１０ｎｍ〜１０ｍｍＺ方向粗動
制御範囲　　：１０ｎｍ〜１０ｍｍ以下、説明した装置
を用いての、記録再生の実験について述べる。記録層７
０１としてポリイミドＬＢ膜を４層（約１．５ｎｍ）成
膜したものを用いた。これを、本装置にセットした。次
に、プローブ電極７０５と記録媒体との間に１．５Ｖの
バイアス電圧を印加し、プローブ電極７０５と導電体薄
膜層７０２との距離（Ｚ）を調整した。この時、距離Ｚ
を制御するためのプローブ電流ＩＰを１０−８Ａ≧ＩＰ
≧１０−１０Ａになるように設定した。

【０１０７】次に、ＸＹ方向の位置を固定したまま、プ
ローブ電極７０５のＺ方向微動制御機構７０７のカンチ
レバーの圧電体に記録用電圧を印加することにより、プ
ローブ電極７０５を上下させ、プローブ電極７０５を記
録媒体に接触させることにより、記録媒体の表面形状を
変化させて記録を行った。但し、この時プローブ電極７
０５と記録媒体の接触量を１５ｎｍに調整した。また、
再生用サーボ回路７０９はその間出力電圧が一定になる
ようにＨＯＬＤ回路をＯＮするよう制御している。

【０１０８】次に、プローブ電極７０５と記録媒体との
間に電圧を印加しながらトンネル電流を観測し、距離Ｚ
を一定に保ちながら、先ほど記録した場所にプローブ電
極７０５をＸＹ方向に走査させたところ、記録媒体の表
面形状の変化が確認でき、記録ビットを再生することが
可能であった。

【０１０９】尚、本発明のカンチレバー型プローブを用
いた場合、Ｙ方向の走査範囲を非常に大きく取れるので
、この記録ビットを大量に記録再生できることは言うま
でもない。

【０１１０】（実施例１４）本実施例では、前述した情
報処理装置を使って、ＳＴＭとして実験を行った結果に
ついて述べる。

【０１１１】実施例１３で述べた記録媒体を被観察物と
して走査し、プローブ電極７０５と被観察物との間に電
圧を印加し、トンネル電流値の結果を出力するとＳＴＭ
像が得られる。本実施例では被観察物としてＳｉ基板（
１００）を用いて、ＳＴＭ像を得たところ、Ｓｉ基板の
広範囲にわたって像を原子オーダーで観察でき、さらに
安定な像が得られた。

【０１１２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のカンチレ
バー型プローブにより以下のような効果がある。（１）任意にカンチレバーの実効的弾性定数を変化しう
るので、例えばＡＦＭにおいて、柔かい試料から硬い試
料まで、Ｓ／Ｎ比よく観察ができる。（２）カンチレバーをむやみに小さくする必要がなくな
るので、カンチレバー自体さらには変位測定系の作製が
容易となる。（３）情報処理装置において、記録媒体の硬度を選ばず
使用できる。さらに、共振周波数を高く設定できるので
、高速走査が可能となり、記録情報の読み出し速度が向
上する。（４）大きな変位量、高い精度でトンネル検出用プロー
ブの駆動が行えるので、高分解能，高安定度のＳＴＭ観
察を行うことができる。（５）小型軽量化で高剛性化が図れるので、信頼性の高
い、高速の情報処理装置を作製することができる。（６）圧電駆動部と静電駆動部を集積できるので、ＳＴ
Ｍ装置，情報処理装置全体の小型化が図れる。

【０１１３】また、静電効果にて複数のカンチレバーの
反り量を独立に位置補正する機構と位置補正用の平行平
面導体とを具備したマルチプローブユニットにおいては
、（７）操作性，安定性，耐久性の高いＳＴＭを応用した
情報処理装置が作製できる。（８）カンチレバー一本一本の反りも静電効果により補
償することができるので、素子の歩留りも向上するとと
もに、より制御性の高いトンネル電流検知が行える。（９）これにより、ＳＴＭを応用した情報処理装置にお
いては、超高密度な記録，再生ができるとともに、信頼性の高い装置を供給でき
るようになった。

【０１１４】さらに、短冊状電極を有したカンチレバー
型プローブ及びそれを用いた情報処理装置等によれば、
（１０）カンチレバーのＹ軸のストローク量を大きくす
る。（１１）圧電体薄膜カンチレバーの反り量を少なくする
。（１２）情報処理装置においては、広範囲に記録媒体に
情報を記録することができる。といったような効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の弾性定数可変タイプのカンチレバー型
プローブの原理説明図である。

【図２】図１の原理図に基づく、カンチレバー長手方向
に直角な面での断面図を示す。

【図３】本発明の弾性定数可変タイプのカンチレバー型
プローブの一態様を示す断面図である。

【図４】本発明の弾性定数可変タイプのカンチレバー型
プローブの別の態様を示す断面図である。

【図５】本発明に係るプローブ高さのばらつきを調整し
得るカンチレバー型プローブの構成図である。

【図６】本発明に係るプローブ高さのばらつきを調整し
得るカンチレバー型プローブの、カンチレバーの変位量
を示す図である。

【図７】本発明に係るプローブ高さのばらつきを調整し
得るカンチレバー型プローブの別の態様を示す図である
。

【図８】図７に示すタイプのカンチレバー型プローブを
同一基板上に複数配列したマルチプローブユニットの斜
視図及びその一部断面図である。

【図９】本発明に係る短冊状電極を有したカンチレバー
型プローブの斜視図及びその断面図である。

【図１０】図３に示すタイプのカンチレバー型プローブ
の製造工程図を示す。

【図１１】図３に示すタイプのカンチレバー型プローブ
の製造工程図を示す。

【図１２】実施例１で示したカンチレバー型プローブを
用いた、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の構成図である。

【図１３】実施例１で示すカンチレバー型プローブ表面
に、Ｐｔコーティング層を設けたカンチレバー型プロー
ブを示す。

【図１４】図１３に示すカンチレバー型プローブを用い
た、情報処理装置の構成図である。

【図１５】図７に示すタイプのカンチレバー型プローブ
の製造工程図を示す。

【図１６】実施例７に係る走査型トンネル顕微鏡の構成
図を示す。

【図１７】実施例８に係る情報処理装置の構成図を示す
。

【図１８】実施例８に係るパルス電圧波形を示す図であ
る。

【図１９】実施例９に係るマルチプローブユニットの構
成図である。

【図２０】実施例９に係るマルチプローブユニットの構
成図である。

【図２１】実施例９に係る位置補正のブロック図である
。

【図２２】実施例１０に係るマルチプローブユニットを
用いた、情報処理装置の構成図である。

【図２３】実施例１１に係るカンチレバーの駆動原理説
明図である。

【図２４】実施例１１に係るカンチレバー型プローブの
製造工程図を示す。

【図２５】実施例１２に係るマルチプローブユニットの
外観斜視図である。

【図２６】実施例１２に係るマルチプローブユニットの
、短冊状電極を示した構成斜視図である。

【図２７】情報処理装置における、記録媒体への情報の
記録あるいは再生方法を説明するための模式図である。

【図２８】実施例１３に係る情報処理装置の構成を示す
ブロック図である。

【図２９】従来のカンチレバー型プローブを示す。

【図３０】従来のカンチレバー型プローブの駆動状態を
示す図である。

【符号の説明】

１　　カンチレバー２　　プローブ（探針）３　　基板４　　圧電体５，６，７　　電極８　　圧電体変形用電源９，１０　　圧電体１１，１２，１３，１４，１５　　電極１６　　支持台１７，１８　　電極１９　　絶縁体２０　　電極２１　　圧電体２２　　トンネル電流引き出し電極２３　　電流電圧変換増幅器２４　　信号出力２５　　圧電体駆動用交流電源２６　　静電駆動用直流電源２７　　電極２８　　Ｓｉ基板２９　　電極３０　　誘電体３１　　圧電体３２　　ガラス基板３３，３４　　電極３５　　導電体４１　　弾性薄膜４２　　圧電体薄膜４３　　電極４４　　プローブ４５　　Ｓｉ基板４６　　短冊状電極４７　　ｎ−Ｓｉ層４８　　Ｐ＋層４９　　電極５１，５２　　絶縁体６１　　記録層６２　　導電体薄膜６３　　基板６４　　記録ビット６５　　プローブ７１　　圧電体７２　　電極７３　　プローブ１０１　　Ｓｉ基板１０２，１０３　　シリコン窒化膜１０４　　ＺｎＯ膜１０５，１０６　　Ａｕ電極１０７　　プローブ１０８　　アモルファスシリコン窒化膜１０９　　Ａｕ
引き出し電極１１０　　プローブ１１１　　Ａｕ電極１１２　　ＺｎＯ膜１１３　　Ａｕ電極１１４　　ＺｎＯ膜１１５　　Ａｕ電極１１６　　プローブ１１７　　Ｐｔコーティング層２０１　　除振台２０２　　支持台２０３　　ＸＹステージ２０４　　Ｚ微動機構２０５　　試料２０６　　カンチレバー２０７　　探針（プローブ）２０８　　光ファイバー２０９　　Ｈｅ−Ｎｅレーザー２１０　　ビームスプリッタ２１１　　光検出器２１２　　ＸＹ走査制御部２１３　　Ｚ方向フィードバック制御部２１４　　マイ
クロコンピュータ２１５　　記録媒体２１６　　パルス電圧印加装置３１０　　Ｓｉ基板３１１　　シリコン熱酸化膜３１２，３１３　　シリコン窒化膜３１４　　電極４０１　　除振台４０２　　ＸＹ走査機構４０３　　サンプル４０４　　Ｚ粗動機構４０５　　カンチレバー４０６　　プローブ（探針）４０７　　ＸＹ駆動回路４０８　　バイアス印加回路４０９　　トンネル電流検出回路４１０　　Ｚ駆動回路４１１　　静電駆動回路４１２　　圧電駆動（フィードバック）回路４１３　　
マイクロコンピュータ４１４　　表示装置５０１　　除振台５０２　　ＸＹ走査機構５０３　　記録媒体５０４　　Ｚ粗動機構５０５　　マルチプローブ基板５０６　　カンチレバー５０７　　プローブ（探針）５０８　　ＸＹ駆動回路５０９　　バイアス印加回路５１０　　Ｚ駆動回路５１１　　トンネル電流検出回路５１２　　静電駆動回路５１３　　圧電駆動（フィードバック）回路５１４　　
マイクロコンピュータ６０１　　基板６０２　　金属電極層６０３　　記録層６０４　　ＸＹステージ６０５　　マルチプローブユニット６０６　　支持体６０７　　Ｚ軸方向駆動リニアアクチュエーター６０８
　　Ｘ軸方向駆動リニアアクチュエーター６０９　　Ｙ
軸方向駆動リニアアクチュエーター６１０　　バイアス
回路６１１　　トンネル電流検出器６１２　　サーボ回路６１３　　アクチュエーター６１４　　サーボ回路６１５　　ＸＹステージ駆動回路６１６　　コンピュータ７０１　　記録層７０２　　導電体薄膜７０３　　基板７０４　　カンチレバー型プローブ７０５　　プローブ電極７０６　　Ｙ方向微動制御機構７０７　　Ｚ方向微動制御機構７０８　　Ｙ走査駆動回路７０９　　再生用サーボ回路７１０　　バイアス電圧源及びプローブ電流増幅器７１
１　　記録用電圧源及びサーボ回路７１２　　ＸＹステ
ージ７１３　　粗動機構７１４　　粗動駆動回路７１５　　マイクロコンピュータ７１６　　表示装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　カンチレバー形状を有する弾性変形部
と該弾性変形部の先端にプローブを有するカンチレバー
型プローブにおいて、該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一層
の圧電体層と、該圧電体に電圧を印加するための少なく
とも一組の電極とを具備していることを特徴とするカン
チレバー型プローブ。
【請求項２】　　請求項１記載のカンチレバー型プロー
ブを、少なくとも有することを特徴とする原子間力顕微
鏡。
【請求項３】　　請求項１記載のカンチレバー型プロー
ブを、少なくとも有することを特徴とする情報処理装置
。
【請求項４】　　カンチレバー形状を有する弾性変形部
と該弾性変形部の先端にプローブを有するカンチレバー
型プローブの駆動方法において、該カンチレバーが少な
くとも一層の圧電体と、該圧電体に電界を印加するため
の少なくとも一組の電極とを具備し、かつ、該カンチレ
バーと該カンチレバーの支持台との間で平行平板型コン
デンサを構成しており、該平行平板型コンデンサに電圧
を印加することにより粗動を行い、該圧電体に電界を印
加することにより微動を行い、かつ、該粗動及び微動の
変位方向が同一になるようにすることを特徴とするカン
チレバー型プローブの駆動方法。
【請求項５】　　請求項４記載のカンチレバー型プロー
ブの駆動方法を用いることを特徴とする走査型トンネル
顕微鏡。
【請求項６】　　請求項４記載のカンチレバー型プロー
ブの駆動方法を用いることを特徴とする情報処理装置。
【請求項７】　　圧電体効果にて変位するカンチレバー
型プローブを同一面内に複数設け、該複数のカンチレバ
ーの各々に対して、その反り量を静電効果により独立に
位置補正する機構を設けたことを特徴とするマルチプロ
ーブユニット。
【請求項８】　　前記カンチレバー各々の反り量を静電
効果により位置補正する際の電圧を、独立にホールドす
る手段を具備することを特徴とする請求項７記載のマル
チプローブユニット。
【請求項９】　　請求項７又は８に記載のマルチプロー
ブユニットを、少なくとも有することを特徴とする情報
処理装置。
【請求項１０】　　請求項７又は８に記載のマルチプロ
ーブユニットを、少なくとも有することを特徴とする走
査型トンネル顕微鏡。
【請求項１１】　　圧電体効果にて変位するカンチレバ
ー型プローブをＳｉ基板上に形成される複数の短冊状電
極上方に保持し、前記短冊状電極に電圧を加える手段に
より、静電効果にて前記カンチレバーを、その幅方向に
駆動し得るものであることを特徴とするカンチレバー型
プローブ。
【請求項１２】　　プローブが、圧電体への電圧印加に
よりカンチレバーの厚さ方向に変位する手段と、静電効
果にてカンチレバーの幅方向に固有振動する手段を具備
したことを特徴とするカンチレバー型プローブ。
【請求項１３】　　請求項１１又は１２に記載のカンチ
レバー型プローブを、少なくとも有することを特徴とす
る情報処理装置。