JPH0552508A - カンチレバー型アクチユエータ及びそれを用いた走査型トンネル顕微鏡、情報処理装置 - Google Patents
カンチレバー型アクチユエータ及びそれを用いた走査型トンネル顕微鏡、情報処理装置Info
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- JPH0552508A JPH0552508A JP3240228A JP24022891A JPH0552508A JP H0552508 A JPH0552508 A JP H0552508A JP 3240228 A JP3240228 A JP 3240228A JP 24022891 A JP24022891 A JP 24022891A JP H0552508 A JPH0552508 A JP H0552508A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 逆圧電効果により変位を生じさせるカンチレ
バー型アクチュエータにおいて、粗動変位はもちろんの
こと、その変位量を微小に制御し得る構造を達成し、さ
らに、これを用いることで高精度，高密度の情報の処理
を可能ならしめることにある。 【構成】 薄膜圧電体と薄膜電極から構成される薄膜状
のカンチレバー型アクチュエータにおいて、２層の薄膜
圧電体３ａ，３ｂが３層の薄膜電極２，４，５に挟れた
バイモルフ構造をなす部分１０ａを自由端側に、前記薄
膜圧電体よりも厚い１層の薄膜圧電体３ａ及び３ｂが２
層の薄膜電極２，６に挟れたモノモルフ構造をなす部分
１０ｂを固定端側に設けて、長軸方向で分割された圧電
モルフ構造を有するカンチレバー型アクチュエータを特
徴とする。
バー型アクチュエータにおいて、粗動変位はもちろんの
こと、その変位量を微小に制御し得る構造を達成し、さ
らに、これを用いることで高精度，高密度の情報の処理
を可能ならしめることにある。 【構成】 薄膜圧電体と薄膜電極から構成される薄膜状
のカンチレバー型アクチュエータにおいて、２層の薄膜
圧電体３ａ，３ｂが３層の薄膜電極２，４，５に挟れた
バイモルフ構造をなす部分１０ａを自由端側に、前記薄
膜圧電体よりも厚い１層の薄膜圧電体３ａ及び３ｂが２
層の薄膜電極２，６に挟れたモノモルフ構造をなす部分
１０ｂを固定端側に設けて、長軸方向で分割された圧電
モルフ構造を有するカンチレバー型アクチュエータを特
徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、片持ち梁り（カンチレ
バー）構造の変位素子（アクチュエータ）と、それらを
同一基板上へ複数配置した集積化アクチュエータ、個々
のアクチュエータに探針（プローブ）を取り付けたマル
チプローブ式の走査型トンネル顕微鏡、またそれらを応
用した情報の記憶再生等を行う情報処理装置に関する。
バー）構造の変位素子（アクチュエータ）と、それらを
同一基板上へ複数配置した集積化アクチュエータ、個々
のアクチュエータに探針（プローブ）を取り付けたマル
チプローブ式の走査型トンネル顕微鏡、またそれらを応
用した情報の記憶再生等を行う情報処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭと略
す）は、先鋭な導電性プローブを試料表面に数ｎｍ以下
に接近させた時に、その間の障壁を通り抜けて電流が流
れるトンネル効果を利用したものである。［Ｇ．Ｂｉｎ
ｎｉｇ ｅｔ ａｌ．，Ｈｅｌｖｅｔｉｃａ Ｐｈｙｓ
ｉｃａ Ａｃｔａ，５５，７２６（１９８２）、米国特
許第４３４３９９３号］。
す）は、先鋭な導電性プローブを試料表面に数ｎｍ以下
に接近させた時に、その間の障壁を通り抜けて電流が流
れるトンネル効果を利用したものである。［Ｇ．Ｂｉｎ
ｎｉｇ ｅｔ ａｌ．，Ｈｅｌｖｅｔｉｃａ Ｐｈｙｓ
ｉｃａ Ａｃｔａ，５５，７２６（１９８２）、米国特
許第４３４３９９３号］。
【０００３】このＳＴＭの原理を応用して、高密度な情
報処理（記録再生）を行う装置が、特開昭６３−１６１
５５２号公報，特開昭６３−１６１５５３号公報等に提
案されている。これはＳＴＭと同様のプローブを用い
て、プローブと記録媒体間にかかる電圧を変化させて記
録を行うものである。
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。
【０００４】従来、これらの記録再生装置に用いられて
いたプローブの形成手法としては、半導体製造プロセス
の技術を使い一つの基板上に微細な構造を作る加工技術
［Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ“Ｓｉｌｉｃｏｎ ａｓ
ａ ＭｅｃｈａｎｉｃｈａｌＭａｔｅｒｉａｌ”，Ｐｒ
ｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ，７０
（５），４２０−４５７（１９８２）］が知られてい
た。このような手法により構成したＳＴＭが、特開昭６
１−２０６１４８号公報に提案されている。
いたプローブの形成手法としては、半導体製造プロセス
の技術を使い一つの基板上に微細な構造を作る加工技術
［Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ“Ｓｉｌｉｃｏｎ ａｓ
ａ ＭｅｃｈａｎｉｃｈａｌＭａｔｅｒｉａｌ”，Ｐｒ
ｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ，７０
（５），４２０−４５７（１９８２）］が知られてい
た。このような手法により構成したＳＴＭが、特開昭６
１−２０６１４８号公報に提案されている。
【０００５】これは、単結晶シリコンを基板として、微
細加工によりＸＹ方向に微動できる平行バネを形成し、
さらにその可動部にプローブを形成したカンチレバー部
を設け、カンチレバー部と底面部に電界を与えて静電力
により基板平面と直角な方向（Ｚ方向とする）に変位す
るように構成されている。
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。
【０００６】また、カンチレバー部に酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）等の圧電性薄膜を用い、平行平板型電極により電圧
を印加し、圧電効果による変位を利用するものも提案さ
れている。
Ｏ）等の圧電性薄膜を用い、平行平板型電極により電圧
を印加し、圧電効果による変位を利用するものも提案さ
れている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では圧電体層が非常に薄いため小さな電圧で大きな
変位を発生させることができるが、特にＳＴＭとして用
いる場合、変位量を微小に制御しようとすれば印加電圧
を非常に小さくする必要があった。このため、駆動用電
気回路として非常に低ノイズで高精度のものが必要であ
った。
来例では圧電体層が非常に薄いため小さな電圧で大きな
変位を発生させることができるが、特にＳＴＭとして用
いる場合、変位量を微小に制御しようとすれば印加電圧
を非常に小さくする必要があった。このため、駆動用電
気回路として非常に低ノイズで高精度のものが必要であ
った。
【０００８】そこで、本発明は比較的大きな変位を発生
させることができ、かつ、微小な変位量の調節もより正
確に行うことのできるカンチレバー型アクチュエータ、
及びそれを用いた走査型トンネル顕微鏡及び情報処理装
置を提供することを目的とする。
させることができ、かつ、微小な変位量の調節もより正
確に行うことのできるカンチレバー型アクチュエータ、
及びそれを用いた走査型トンネル顕微鏡及び情報処理装
置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
するための本発明の構成は以下の通りである。
するための本発明の構成は以下の通りである。
【００１０】第１に、薄膜圧電体と薄膜電極から構成さ
れる薄膜状のカンチレバー型アクチュエータにおいて、
２層の薄膜圧電体が３層の薄膜電極に挟れたバイモルフ
構造をなす部分を自由端側に、前記薄膜圧電体よりも厚
い１層の薄膜圧電体が２層の薄膜電極に挟れたモノモル
フ構造をなす部分を固定端側に設けて、長軸方向で分割
された圧電モルフ構造を有するカンチレバー型アクチュ
エータ、としている点にある。
れる薄膜状のカンチレバー型アクチュエータにおいて、
２層の薄膜圧電体が３層の薄膜電極に挟れたバイモルフ
構造をなす部分を自由端側に、前記薄膜圧電体よりも厚
い１層の薄膜圧電体が２層の薄膜電極に挟れたモノモル
フ構造をなす部分を固定端側に設けて、長軸方向で分割
された圧電モルフ構造を有するカンチレバー型アクチュ
エータ、としている点にある。
【００１１】第２に、モノモルフ構造をなす部分の薄膜
電極の少なくとも一方が、バイモルフ構造を形成してい
る薄膜電極と電気的に独立である前述第１に記載のカン
チレバー型アクチュエータ、第３に、前記薄膜圧電体と
して、酸化亜鉛を用いた前述第１，第２記載のカンチレ
バー型アクチュエータ、第４に、カンチレバー部先端に
導電性の探針と、その引出し電極を設えた前述第１〜第
３いずれかに記載のカンチレバー型アクチュエータ、第
５に、前記モノモルフ構造とバイモルフ構造をなす薄膜
電極が、カンチレバー軸中心線を対称軸として２分割さ
れている前述第１〜第４いずれかに記載のカンチレバー
型アクチュエータ、第６に、前述第１〜第５いずれかに
記載のカンチレバー型アクチュエータが、同一のシリコ
ン単結晶基板上に複数配置されたカンチレバー型アクチ
ュエータ、としている点にある。
電極の少なくとも一方が、バイモルフ構造を形成してい
る薄膜電極と電気的に独立である前述第１に記載のカン
チレバー型アクチュエータ、第３に、前記薄膜圧電体と
して、酸化亜鉛を用いた前述第１，第２記載のカンチレ
バー型アクチュエータ、第４に、カンチレバー部先端に
導電性の探針と、その引出し電極を設えた前述第１〜第
３いずれかに記載のカンチレバー型アクチュエータ、第
５に、前記モノモルフ構造とバイモルフ構造をなす薄膜
電極が、カンチレバー軸中心線を対称軸として２分割さ
れている前述第１〜第４いずれかに記載のカンチレバー
型アクチュエータ、第６に、前述第１〜第５いずれかに
記載のカンチレバー型アクチュエータが、同一のシリコ
ン単結晶基板上に複数配置されたカンチレバー型アクチ
ュエータ、としている点にある。
【００１２】また、第７に、前述第１〜第６いずれかに
記載のカンチレバー型アクチュエータを有する走査型ト
ンネル顕微鏡、第８に、トンネル電流を用いて記録媒体
に情報の記録再生等を行う情報処理装置において、少な
くとも前述第１〜第６いずれかに記載のカンチレバー型
アクチュエータを有する情報処理装置、としている点に
ある。
記載のカンチレバー型アクチュエータを有する走査型ト
ンネル顕微鏡、第８に、トンネル電流を用いて記録媒体
に情報の記録再生等を行う情報処理装置において、少な
くとも前述第１〜第６いずれかに記載のカンチレバー型
アクチュエータを有する情報処理装置、としている点に
ある。
【００１３】すなわち、本発明によれば、薄膜電極によ
り薄膜圧電体を挟み込む構造を有するカンチレバー型ア
クチュエータにおいて、微小変位用電極を新たに設け、
それに挟まれる圧電体薄膜の厚さを他の部分より厚くす
ることにより、微小変位量の制御性をより向上させたも
のである。
り薄膜圧電体を挟み込む構造を有するカンチレバー型ア
クチュエータにおいて、微小変位用電極を新たに設け、
それに挟まれる圧電体薄膜の厚さを他の部分より厚くす
ることにより、微小変位量の制御性をより向上させたも
のである。
【００１４】つまり、比較的大きな変位量を発生させる
ことのできる従来の圧電体バイモルフ部分に加え、圧電
体の膜厚が厚いモノモルフ部分を加えることにより、同
一電圧を印加した場合の圧電体に加わる電界強度を小さ
くすることで、変位量が小さくなる効果を利用したもの
である。
ことのできる従来の圧電体バイモルフ部分に加え、圧電
体の膜厚が厚いモノモルフ部分を加えることにより、同
一電圧を印加した場合の圧電体に加わる電界強度を小さ
くすることで、変位量が小さくなる効果を利用したもの
である。
【００１５】本発明では、更にこの部分をモノモルフ構
造とすることにより、同一電圧当りの変位量を更に微小
化し、ＳＴＭに必要な数ｎｍオーダーの微小変位の制御
性を向上させた。
造とすることにより、同一電圧当りの変位量を更に微小
化し、ＳＴＭに必要な数ｎｍオーダーの微小変位の制御
性を向上させた。
【００１６】また、本発明のアクチュエータの薄膜電極
を、カンチレバー中心線を挟んで左右対称に分割するこ
とにより、ｘ，ｙ，ｚの３軸方向へ微小変位可能とな
り、先端に探針を形成することにより、小型で高精度な
ＳＴＭ用プローブの実現が可能となった。
を、カンチレバー中心線を挟んで左右対称に分割するこ
とにより、ｘ，ｙ，ｚの３軸方向へ微小変位可能とな
り、先端に探針を形成することにより、小型で高精度な
ＳＴＭ用プローブの実現が可能となった。
【００１７】また、同一基板上へ複数集積化すること
で、マルチプローブを有する小型で高精度なＳＴＭシス
テムを構築することができ、基板としてＳｉ単結晶を用
いることにより、トランジスタやダイオード等半導体素
子も同時に集積することが可能となった。
で、マルチプローブを有する小型で高精度なＳＴＭシス
テムを構築することができ、基板としてＳｉ単結晶を用
いることにより、トランジスタやダイオード等半導体素
子も同時に集積することが可能となった。
【００１８】更に、ＳＴＭの観察対象として、電圧印加
により状態の変化する媒体を用いることにより、大容量
高密度の記録再生等が可能な情報処理装置を提供するこ
とが可能となった。
により状態の変化する媒体を用いることにより、大容量
高密度の記録再生等が可能な情報処理装置を提供するこ
とが可能となった。
【００１９】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【００２０】（実施例１）図１は本発明の特徴を最もよ
く表す構成図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）中のＡ−
Ａ面における断面図である。
く表す構成図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）中のＡ−
Ａ面における断面図である。
【００２１】本図において、１は基板であり、２は下部
電極、３ａは下部圧電体、３ｂは上部圧電体、４は中間
電極、５は上部電極、６は微小変位用電極である。
電極、３ａは下部圧電体、３ｂは上部圧電体、４は中間
電極、５は上部電極、６は微小変位用電極である。
【００２２】ここで、圧電体層３ａ，３ｂは、分極軸が
７の矢印に示す方向に配向して形成されており、電圧印
加により伸長または収縮させることができる。また、そ
れぞれの電極２，４，５，６は、基板１上へ個別に引出
されており、この部分を通して電圧印加が出来るように
なっている。
７の矢印に示す方向に配向して形成されており、電圧印
加により伸長または収縮させることができる。また、そ
れぞれの電極２，４，５，６は、基板１上へ個別に引出
されており、この部分を通して電圧印加が出来るように
なっている。
【００２３】図１（ｂ）を用いて、本実施例に係るカン
チレバー型アクチュエータの作動原理を示す。下部電極
２と上部電極５を接地状態とし、中間電極４に負の電圧
を印加すると、圧電体３ａには分極方向と同方向の電界
が、圧電体３ｂには逆方向の電界が加わる。このため、
圧電体３ａはｄ31（圧電定数）で規定される圧電効果に
より電界と垂直方向に収縮し、圧電体３ｂは電界と垂直
方向に伸長する。従って、バイモルフ構造を成すカンチ
レバー部１０ａが下側に屈曲変位する。尚、印加電圧の
大きさを変えることにより、カンチレバー部の変位量を
変化させることができる。また、印加電圧の符合を反転
させることにより、上側に屈曲させることも可能であ
る。
チレバー型アクチュエータの作動原理を示す。下部電極
２と上部電極５を接地状態とし、中間電極４に負の電圧
を印加すると、圧電体３ａには分極方向と同方向の電界
が、圧電体３ｂには逆方向の電界が加わる。このため、
圧電体３ａはｄ31（圧電定数）で規定される圧電効果に
より電界と垂直方向に収縮し、圧電体３ｂは電界と垂直
方向に伸長する。従って、バイモルフ構造を成すカンチ
レバー部１０ａが下側に屈曲変位する。尚、印加電圧の
大きさを変えることにより、カンチレバー部の変位量を
変化させることができる。また、印加電圧の符合を反転
させることにより、上側に屈曲させることも可能であ
る。
【００２４】次に、微小変位用電極６に電圧を印加した
場合、接地状態の下部電極２との間に電界を生ずるが圧
電体３ａと３ｂが２層重なっているため、前記と同じ電
圧を印加した場合の電界強度は前記の１／２となり、ｄ
31の圧電効果による変位量も半分となる。この時、微小
変位用電極６の厚さを下部電極２と異るようにしておく
か、異るヤング率を有する材料で形成することにより、
モノモルフ構造を成すカンチレバー部１０ｂに屈曲変位
を発生させることができる。
場合、接地状態の下部電極２との間に電界を生ずるが圧
電体３ａと３ｂが２層重なっているため、前記と同じ電
圧を印加した場合の電界強度は前記の１／２となり、ｄ
31の圧電効果による変位量も半分となる。この時、微小
変位用電極６の厚さを下部電極２と異るようにしておく
か、異るヤング率を有する材料で形成することにより、
モノモルフ構造を成すカンチレバー部１０ｂに屈曲変位
を発生させることができる。
【００２５】即ち、電極部分を厚さ方向で非対称とする
ことにより、ｄ31の圧電効果による歪を屈曲変位に変換
することができる。
ことにより、ｄ31の圧電効果による歪を屈曲変位に変換
することができる。
【００２６】カンチレバー部１０ｂで発生する屈曲変位
量は、印加電圧を同じにした場合カンチレバー部１０ａ
よりも小さくなり、その比率は微小変位用電極６の厚
さ、ヤング率、及びカンチレバー部１０ｂの長さにより
変化させることができる。
量は、印加電圧を同じにした場合カンチレバー部１０ａ
よりも小さくなり、その比率は微小変位用電極６の厚
さ、ヤング率、及びカンチレバー部１０ｂの長さにより
変化させることができる。
【００２７】以上説明したように、カンチレバー部を電
極，圧電体の積層構造を異にする２つの部分より構成す
ることにより、大きな変位と微小変位量調節を、駆動電
圧を余り小さくすることなく実現できる。
極，圧電体の積層構造を異にする２つの部分より構成す
ることにより、大きな変位と微小変位量調節を、駆動電
圧を余り小さくすることなく実現できる。
【００２８】次に、図２を用いて本実施例に係るカンチ
レバー型アクチュエータの製造方法の一例を説明する。
レバー型アクチュエータの製造方法の一例を説明する。
【００２９】先ず面方位（１００）の単結晶シリコン基
板１上へ、減圧ＣＶＤ法によりＳｉ3 Ｎ4 膜を１５００
Å成膜し、保護膜８を形成する。次に、密着性確保のた
めＣｒを５〜１０Å真空蒸着したのちＡｕを１０００Å
蒸着し、さらに金属薄膜を形成したのち感光性レジスト
を塗布して一般的なフォトリソグラフにより不用部のＡ
ｕ／Ｃｒをエッチング除去し、下部電極２を形成する
（図２（ａ）参照）。
板１上へ、減圧ＣＶＤ法によりＳｉ3 Ｎ4 膜を１５００
Å成膜し、保護膜８を形成する。次に、密着性確保のた
めＣｒを５〜１０Å真空蒸着したのちＡｕを１０００Å
蒸着し、さらに金属薄膜を形成したのち感光性レジスト
を塗布して一般的なフォトリソグラフにより不用部のＡ
ｕ／Ｃｒをエッチング除去し、下部電極２を形成する
（図２（ａ）参照）。
【００３０】次に、その上にスパッタ蒸着法によりＺｎ
Ｏを３０００Å形成し、圧電体３ａを形成する。この
時、スパッタ蒸着の条件を適切に調制することで、圧電
分極方向の結晶Ｃ軸を容易に配向させることができる
（図２（ｂ）参照）。
Ｏを３０００Å形成し、圧電体３ａを形成する。この
時、スパッタ蒸着の条件を適切に調制することで、圧電
分極方向の結晶Ｃ軸を容易に配向させることができる
（図２（ｂ）参照）。
【００３１】次に、圧電体３ａの上に再び真空蒸着によ
りＡｕを１０００Å成膜する。その後、感光性レジスト
を塗布し、フォトリソグラフを行い不用部分をエッチン
グにより除去し、所定の形状の中間電極４を形成する
（図２（ｃ）参照）。
りＡｕを１０００Å成膜する。その後、感光性レジスト
を塗布し、フォトリソグラフを行い不用部分をエッチン
グにより除去し、所定の形状の中間電極４を形成する
（図２（ｃ）参照）。
【００３２】次に、図２（ｂ）の工程と同様に、スパッ
タ蒸着法によりＺｎＯを３０００Å形成し、圧電体３ｂ
を形成する。この上に感光性レジストを塗布し、パター
ンニングを行いエッチングにて不用部分のＺｎＯを除去
する（図２（ｄ）参照）。
タ蒸着法によりＺｎＯを３０００Å形成し、圧電体３ｂ
を形成する。この上に感光性レジストを塗布し、パター
ンニングを行いエッチングにて不用部分のＺｎＯを除去
する（図２（ｄ）参照）。
【００３３】再びＡｕを１０００Å成膜し、フォトリソ
グラフによりパターンニングを行い、上部電極５を形成
する。次に、一般的にリフトオフ法と呼ばれる手法を用
いて、微小変位用電極６を形成する。即ち、感光性レジ
ストを塗布し、電極６を形成する部分のみレジストを除
去し、圧電体３ｂを露出させる。この状態でＡｌの蒸着
を行い、Ａｌを６０００Å形成する。この後、レジスト
を溶剤により除去することにより、レジスト上へ成膜さ
れたＡｌは除去され、微小変位用電極６が形成される
（図２（ｅ）参照）。
グラフによりパターンニングを行い、上部電極５を形成
する。次に、一般的にリフトオフ法と呼ばれる手法を用
いて、微小変位用電極６を形成する。即ち、感光性レジ
ストを塗布し、電極６を形成する部分のみレジストを除
去し、圧電体３ｂを露出させる。この状態でＡｌの蒸着
を行い、Ａｌを６０００Å形成する。この後、レジスト
を溶剤により除去することにより、レジスト上へ成膜さ
れたＡｌは除去され、微小変位用電極６が形成される
（図２（ｅ）参照）。
【００３４】次に、Ｓｉ単結晶基板１の裏面より、面方
位によりエッチング速度の大きく異ることを利用した異
方性エッチングを行い、Ｓｉ3 Ｎ4 の位置までＳｉを除
去する。次に、反応性イオンエッグによりＳｉ3 Ｎ4 膜
を取り除き、カンチレバー部１０ａ，１０ｂを形成する
（図２（ｆ）参照）。
位によりエッチング速度の大きく異ることを利用した異
方性エッチングを行い、Ｓｉ3 Ｎ4 の位置までＳｉを除
去する。次に、反応性イオンエッグによりＳｉ3 Ｎ4 膜
を取り除き、カンチレバー部１０ａ，１０ｂを形成する
（図２（ｆ）参照）。
【００３５】ここで、フォトリソグラフに用いたエッチ
ング液は、Ａｕに対してはＫＩ：Ｉ2 水溶液、Ｃｒに対
しては（ＮＨ4 ）2Ｃｅ（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。なお、電極と
して使用した金属はこれら限定されるものではなく、適
当なエッチング液との組み合せにより他の物質を用いる
ことも可能である。
ング液は、Ａｕに対してはＫＩ：Ｉ2 水溶液、Ｃｒに対
しては（ＮＨ4 ）2Ｃｅ（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。なお、電極と
して使用した金属はこれら限定されるものではなく、適
当なエッチング液との組み合せにより他の物質を用いる
ことも可能である。
【００３６】以下に、本実施例で作製したカンチレバー
型アクチュエータの各部の寸法及び駆動特性の一例を示
す。
型アクチュエータの各部の寸法及び駆動特性の一例を示
す。
【００３７】カンチレバー部１０ａの長さ ４００μ
ｍ，幅 ５０μｍ カンチレバー部１０ｂの長さ １００μｍ，幅 ５０μ
ｍ カンチレバー部１０ａ，１０ｂへの印加電圧 ±３Ｖ とした時の先端部の振幅は、 カンチレバー部１０ａのみ変化させた場合 ±２μｍ、 カンチレバー部１０ｂのみ変化させた場合 ±０．０５
μｍ となり、同じ印加電圧範囲で１／４０の微調制が可能と
なった。
ｍ，幅 ５０μｍ カンチレバー部１０ｂの長さ １００μｍ，幅 ５０μ
ｍ カンチレバー部１０ａ，１０ｂへの印加電圧 ±３Ｖ とした時の先端部の振幅は、 カンチレバー部１０ａのみ変化させた場合 ±２μｍ、 カンチレバー部１０ｂのみ変化させた場合 ±０．０５
μｍ となり、同じ印加電圧範囲で１／４０の微調制が可能と
なった。
【００３８】このことにより、本発明を用いたカンチレ
バー型アクチュエータは、従来のものに比べ位置決め精
度を大きく向上させることが可能となった。
バー型アクチュエータは、従来のものに比べ位置決め精
度を大きく向上させることが可能となった。
【００３９】（実施例２）図３に本発明の第２の実施例
を示す。図３（ｂ），（ｃ）は図３（ａ）中のＡ−Ａ
面，Ｂ−Ｂ面における断面図である。本実施例では、実
施例１の構成に加えて、圧電体３ｂ上に新たに１１の引
出し電極とカンチレバー部１０ａの先端部に引出し電極
１１と接するように１２の探針を形成した。更に、中間
電極，上部電極及び微小変位用電極は、引出し電極１１
を挟んで対称の位置に分割し、それぞれ下部電極２ａ，
２ｂ、中間電極４ａ，４ｂ、上部電極５ａ，５ｂ、微小
変位用電極６ａ，６ｂとした。このように電極を分割す
ることにより、実施例１で示したＺ軸方向の変位に加え
て、カンチレバー面と平行方向の変位を発生させること
が可能となり、ｘ，ｙ，ｚの３軸方向へ微小変位可能な
アクチュエータを作製することができる。
を示す。図３（ｂ），（ｃ）は図３（ａ）中のＡ−Ａ
面，Ｂ−Ｂ面における断面図である。本実施例では、実
施例１の構成に加えて、圧電体３ｂ上に新たに１１の引
出し電極とカンチレバー部１０ａの先端部に引出し電極
１１と接するように１２の探針を形成した。更に、中間
電極，上部電極及び微小変位用電極は、引出し電極１１
を挟んで対称の位置に分割し、それぞれ下部電極２ａ，
２ｂ、中間電極４ａ，４ｂ、上部電極５ａ，５ｂ、微小
変位用電極６ａ，６ｂとした。このように電極を分割す
ることにより、実施例１で示したＺ軸方向の変位に加え
て、カンチレバー面と平行方向の変位を発生させること
が可能となり、ｘ，ｙ，ｚの３軸方向へ微小変位可能な
アクチュエータを作製することができる。
【００４０】かかるアクチュエータの製造は、実施例１
で示した作製法において、フォトリソグラフを行う際の
フォトマスクのパターンを変更するだけで良い。
で示した作製法において、フォトリソグラフを行う際の
フォトマスクのパターンを変更するだけで良い。
【００４１】また、先端部に設けた探針１２は、高さが
３μｍである。これは、上部電極５ａ，５ｂ形成の後、
フォトレジストを５μｍ塗布し、探針１２を形成する位
置のみレジストを除去し、斜め方向よりの蒸着と基板回
転を組み合せた方法により形成した。この方法はアスペ
クト比の高い微小構造物を形成する方法として知られて
いる。
３μｍである。これは、上部電極５ａ，５ｂ形成の後、
フォトレジストを５μｍ塗布し、探針１２を形成する位
置のみレジストを除去し、斜め方向よりの蒸着と基板回
転を組み合せた方法により形成した。この方法はアスペ
クト比の高い微小構造物を形成する方法として知られて
いる。
【００４２】このように、導電性の探針１２を先端部に
設けることにより、本発明によるカンチレバー型アクチ
ュエータを走査型トンネル電子顕微鏡（以下ＳＴＭと略
す）のプローブとして用いることができる。即ち、各電
極に所定の駆動電圧を印加し、カンチレバー部１０ａ，
１０ｂを屈曲変位させ、探針１２を観察対象の表面へ接
近させる。表面が導電性を持つ場合、探針１２と表面と
の距離が数ｎｍ程度まで近づくと、探針１２と表面との
間にトンネル電流が流れる。このトンネル電流は、探針
１２の先端と表面との距離により指数関数的に変化する
ため、引出し電極１１を通してこのトンネル電流を取り
出して増幅を行い、カンチレバー部の駆動電圧にフィー
ドバックをかけることにより、探針１２の先端と表面ま
での距離を一定に保つことができる。この様な状態でカ
ンチレバー部をｘ，ｙ方向に微小に変位させることによ
り、フィードバック電圧の変化により極微小表面の凹凸
を観察することが可能である。また、本発明による微小
変位用電極６ａ，６ｂを用いることにより、より高い分
解能のＳＴＭ装置を実現することができる。
設けることにより、本発明によるカンチレバー型アクチ
ュエータを走査型トンネル電子顕微鏡（以下ＳＴＭと略
す）のプローブとして用いることができる。即ち、各電
極に所定の駆動電圧を印加し、カンチレバー部１０ａ，
１０ｂを屈曲変位させ、探針１２を観察対象の表面へ接
近させる。表面が導電性を持つ場合、探針１２と表面と
の距離が数ｎｍ程度まで近づくと、探針１２と表面との
間にトンネル電流が流れる。このトンネル電流は、探針
１２の先端と表面との距離により指数関数的に変化する
ため、引出し電極１１を通してこのトンネル電流を取り
出して増幅を行い、カンチレバー部の駆動電圧にフィー
ドバックをかけることにより、探針１２の先端と表面ま
での距離を一定に保つことができる。この様な状態でカ
ンチレバー部をｘ，ｙ方向に微小に変位させることによ
り、フィードバック電圧の変化により極微小表面の凹凸
を観察することが可能である。また、本発明による微小
変位用電極６ａ，６ｂを用いることにより、より高い分
解能のＳＴＭ装置を実現することができる。
【００４３】（実施例３）図４及び図５に、本発明の第
３の実施例を示す。実施例２において説明した探針１２
を有するカンチレバー型アクチュエータを、同一のシリ
コン基板１上に複数個作製し、集積化アクチュエータ２
０を作製したものである。
３の実施例を示す。実施例２において説明した探針１２
を有するカンチレバー型アクチュエータを、同一のシリ
コン基板１上に複数個作製し、集積化アクチュエータ２
０を作製したものである。
【００４４】かかる集積化アクチュエータは、前述実施
例１，２で説明した作製方法において、フォトリソグラ
フのパターンを拡張するだけでよい。このように、同一
の基板上へ複数のカンチレバーを同時に形成できるた
め、寸法精度が非常に高く、各カンチレバー間の特性の
ばらつきも非常に小さく抑えることができる。
例１，２で説明した作製方法において、フォトリソグラ
フのパターンを拡張するだけでよい。このように、同一
の基板上へ複数のカンチレバーを同時に形成できるた
め、寸法精度が非常に高く、各カンチレバー間の特性の
ばらつきも非常に小さく抑えることができる。
【００４５】また、基板としてＳｉ単結晶を用いること
により、トランジスタやダイオード等の半導体素子も同
一基板上へ集積化することが可能となり、トンネル電流
増幅やカンチレバー駆動用のアンプを一体化することが
できる。
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。
【００４６】図５は本実施例の集積化アクチュエータを
用いたＳＴＭ装置を模式的に示した図である。これによ
り、集積化アクチュエータ２０を用い、観察対象２２の
表面上の複数の微小領域のＳＴＭ像を同時に観察するこ
とができる。同図において２１及び２３はｘ，ｙ，ｚ方
向に 粗動機構を有する可動ステージであり、可動ステ
ージ２１には集積化アクチュエータ２０が固定され、可
動ステージ２３には観察対象２２が固定されている。
用いたＳＴＭ装置を模式的に示した図である。これによ
り、集積化アクチュエータ２０を用い、観察対象２２の
表面上の複数の微小領域のＳＴＭ像を同時に観察するこ
とができる。同図において２１及び２３はｘ，ｙ，ｚ方
向に 粗動機構を有する可動ステージであり、可動ステ
ージ２１には集積化アクチュエータ２０が固定され、可
動ステージ２３には観察対象２２が固定されている。
【００４７】以下に、本実施例で作製した集積化アクチ
ュエータの寸法の一例を示す。
ュエータの寸法の一例を示す。
【００４８】集積化アクチュエータ２０の外径…４０×
４０×１ｍｍ カンチレバーの本数 …９０本 各カンチレバーの長さ …５００μｍ 各カンチレバーの幅 …５０μｍ 探針１２の高さ …３μｍ （実施例４）図６に実施例３で説明した集積化アクチュ
エータを用いた、情報の記録・再生等を行える情報処理
装置の模式図を示す。
４０×１ｍｍ カンチレバーの本数 …９０本 各カンチレバーの長さ …５００μｍ 各カンチレバーの幅 …５０μｍ 探針１２の高さ …３μｍ （実施例４）図６に実施例３で説明した集積化アクチュ
エータを用いた、情報の記録・再生等を行える情報処理
装置の模式図を示す。
【００４９】同図において、１０３は電圧印加により抵
抗値が変化する記録層、１０２は金属電極層、１０１は
記録媒体基板である。２０１はＸＹステージ、２０２は
本発明による集積化アクチュエータ、２０３は集積化ア
クチュエータの支持体、２０４は集積化アクチュエータ
をＺ方向へ粗動するためのリニアアクチュエータ、２０
５，２０６はＸＹステージをそれぞれＸ，Ｙ方向へ駆動
するリニアアクチュエータ、２０７は記録再生用のバイ
アス回路である。３０１はトンネル電流検出器、３０２
は集積化アクチュエータをＺ軸方向に移動させるための
サーボ回路であり、３０３はアクチュエータ２０４を駆
動するためのサーボ回路である。３０４は個々のカンチ
レバーを微小変位させるための駆動回路であり、３０５
はＸＹステージの位置制御を行う駆動回路である。３０
６はこれらの操作を制御するコンピュータである。
抗値が変化する記録層、１０２は金属電極層、１０１は
記録媒体基板である。２０１はＸＹステージ、２０２は
本発明による集積化アクチュエータ、２０３は集積化ア
クチュエータの支持体、２０４は集積化アクチュエータ
をＺ方向へ粗動するためのリニアアクチュエータ、２０
５，２０６はＸＹステージをそれぞれＸ，Ｙ方向へ駆動
するリニアアクチュエータ、２０７は記録再生用のバイ
アス回路である。３０１はトンネル電流検出器、３０２
は集積化アクチュエータをＺ軸方向に移動させるための
サーボ回路であり、３０３はアクチュエータ２０４を駆
動するためのサーボ回路である。３０４は個々のカンチ
レバーを微小変位させるための駆動回路であり、３０５
はＸＹステージの位置制御を行う駆動回路である。３０
６はこれらの操作を制御するコンピュータである。
【００５０】このようなシステムを用いることにより、
大容量の情報を高密度に記録することが可能となり、ま
たプローブを多数集積化し、それらを同時に走査するた
め、高速度の記録再生を行うことができる。
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。
【００５１】このようなシステムに本発明の微小変位用
電極を設けることにより、個々のプローブの分解能が向
上し、記録再生時のトラッキング性能が向上し、書込
み、読取り時のエラーの発生率を小さくすることができ
る。
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。
【００５２】
【発明の効果】以上説明したように、薄膜圧電体と平行
平板状の薄膜電極を有するカンチレバー型アクチュエー
タにおいて、圧電体の厚さを大きくした部分を一部設
け、この部分に微小変位用電極を配することにより、同
一電圧での変位量が微小となった。これにより、微小変
位量の調節を、従来よりも大きな電圧範囲で行うことが
可能となり、電気的ノイズ等の影響を受けにくくなり、
微小変位の制御性が大きく向上した。
平板状の薄膜電極を有するカンチレバー型アクチュエー
タにおいて、圧電体の厚さを大きくした部分を一部設
け、この部分に微小変位用電極を配することにより、同
一電圧での変位量が微小となった。これにより、微小変
位量の調節を、従来よりも大きな電圧範囲で行うことが
可能となり、電気的ノイズ等の影響を受けにくくなり、
微小変位の制御性が大きく向上した。
【００５３】本発明により、ＳＴＭの解像度、高密度の
記録再生等の諸性能を大きく向上させることができる。
記録再生等の諸性能を大きく向上させることができる。
【図１】実施例１にて示すカンチレバー型アクチュエー
タの構成図である。
タの構成図である。
【図２】実施例１にて示すカンチレバー型アクチュエー
タの製造工程図である。
タの製造工程図である。
【図３】実施例２にて示すカンチレバー型アクチュエー
タの構成図である。
タの構成図である。
【図４】実施例３にて示す集積化したカンチレバー型ア
クチュエータの構成図である。
クチュエータの構成図である。
【図５】実施例３にて示す集積化アクチュエータを用い
た走査型トンネル顕微鏡の部分断面図である。
た走査型トンネル顕微鏡の部分断面図である。
【図６】実施例４にて示す集積化アクチュエータを用い
た情報処理装置のブロック構成図である。
た情報処理装置のブロック構成図である。
１ 基板 ２，２ａ，２ｂ 下部電極 ３，３ａ，３ｂ 圧電体 ４，４ａ，４ｂ 中間電極 ５，５ａ，５ｂ 上部電極 ６，６ａ，６ｂ 微小変位用電極 ７ 分極方位矢印 ８ 保護層 １０ａ バイモルフ構造カンチレバー部 １０ｂ モノモルフ構造カンチレバー部 １１ 引出し電極 １２ 探針 ２０ 集積化アクチュエータ ２１ 可動ステージ ２２ 観察対象 ２３ 可動ステージ １０１ 記録媒体基板 １０２ 金属電極層 １０３ 記録層 ２０１ ＸＹステージ ２０２ 集積化アクチュエータ ２０３ 支持体 ２０４ Ｚ方向リニアアクチュエータ ２０５ Ｘ方向リニアアクチュエータ ２０６ Ｙ方向リニアアクチュエータ ２０７ 記録再生用バイアス回路 ３０１ トンネル電流検出器 ３０２ サーボ回路 ３０３ サーボ回路 ３０４ カンチレバー駆動回路 ３０５ 駆動回路 ３０６ コンピュータ
Claims (8)
- 【請求項１】 薄膜圧電体と薄膜電極から構成される薄
膜アクチュエータにおいて、２層の薄膜圧電体が３層の
薄膜電極に挟れたバイモルフ構造をなす部分を自由端側
に、前記薄膜圧電体よりも厚い１層の薄膜圧電体が２層
の薄膜電極に挟れたモノモルフ構造をなす部分を固定端
側に設けて、長軸方向で分割された圧電モルフ構造を有
することを特徴とするカンチレバー型アクチュエータ。 - 【請求項２】 モノモルフ構造をなす部分の薄膜電極の
少なくとも一方が、バイモルフ構造を形成している薄膜
電極と電気的に独立であることを特徴とする請求項１記
載のカンチレバー型アクチュエータ。 - 【請求項３】 薄膜圧電体として、酸化亜鉛を用いたこ
とを特徴とする請求項１又は２記載のカンチレバー型ア
クチュエータ。 - 【請求項４】 カンチレバー部先端に導電性の探針と、
その引出し電極を設けたことを特徴とする請求項１〜３
いずれかに記載のカンチレバー型アクチュエータ。 - 【請求項５】 モノモルフ構造とバイモルフ構造を成す
薄膜電極が、カンチレバー軸中心線を対称軸として２分
割されていることを特徴とする請求項１〜４いずれかに
記載のカンチレバー型アクチュエータ。 - 【請求項６】 請求項１〜５いずれかに記載のカンチレ
バー型アクチュエータが、同一のシリコン単結晶基板上
に複数配置されていることを特徴とするカンチレバー型
アクチュエータ。 - 【請求項７】 請求項１〜６いずれかに記載のカンチレ
バー型アクチュエータを有することを特徴とする走査型
トンネル電子顕微鏡。 - 【請求項８】 トンネル電流を用いて記録媒体に情報の
記録再生等を行う情報処理装置において、少なくとも請
求項１〜６いずれかに記載のカンチレバー型アクチュエ
ータを有することを特徴とする情報処理装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3240228A JP3062967B2 (ja) | 1991-08-28 | 1991-08-28 | カンチレバー型アクチュエータ及びそれを用いた走査型トンネル顕微鏡、情報処理装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3240228A JP3062967B2 (ja) | 1991-08-28 | 1991-08-28 | カンチレバー型アクチュエータ及びそれを用いた走査型トンネル顕微鏡、情報処理装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0552508A true JPH0552508A (ja) | 1993-03-02 |
| JP3062967B2 JP3062967B2 (ja) | 2000-07-12 |
Family
ID=17056359
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3240228A Expired - Fee Related JP3062967B2 (ja) | 1991-08-28 | 1991-08-28 | カンチレバー型アクチュエータ及びそれを用いた走査型トンネル顕微鏡、情報処理装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3062967B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SG97764A1 (en) * | 1998-08-21 | 2003-08-20 | Inst Data Storage | Multilayer piezoeletric actuator with bending deformation and method for its manufacture |
| KR100424540B1 (ko) * | 2001-04-21 | 2004-03-30 | (주)지우텍 | 다중 액츄에이터를 갖는 ａｆｍ용 캔틸레버 구조물, 이를포함하는 ａｆｍ 시스템 및 상기 ａｆｍ을 이용한 물질의특성 측정 방법 |
| US8148879B2 (en) | 2008-05-29 | 2012-04-03 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Sheet-type vibrator and acoustic apparatus |
| US8363863B2 (en) | 2008-05-29 | 2013-01-29 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Piezoelectric speaker, speaker apparatus, and tactile feedback apparatus |
| KR20150031328A (ko) * | 2012-07-06 | 2015-03-23 | 럭스뷰 테크놀로지 코포레이션 | 실리콘 전극을 갖는 유연성 바이폴라 마이크로 디바이스 이송 헤드 |
| WO2025204537A1 (ja) * | 2024-03-28 | 2025-10-02 | 富士フイルム株式会社 | 圧電積層体及び圧電素子 |
| WO2025204538A1 (ja) * | 2024-03-28 | 2025-10-02 | 富士フイルム株式会社 | 圧電積層体及び圧電素子 |
-
1991
- 1991-08-28 JP JP3240228A patent/JP3062967B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SG97764A1 (en) * | 1998-08-21 | 2003-08-20 | Inst Data Storage | Multilayer piezoeletric actuator with bending deformation and method for its manufacture |
| KR100424540B1 (ko) * | 2001-04-21 | 2004-03-30 | (주)지우텍 | 다중 액츄에이터를 갖는 ａｆｍ용 캔틸레버 구조물, 이를포함하는 ａｆｍ 시스템 및 상기 ａｆｍ을 이용한 물질의특성 측정 방법 |
| US8148879B2 (en) | 2008-05-29 | 2012-04-03 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Sheet-type vibrator and acoustic apparatus |
| US8363863B2 (en) | 2008-05-29 | 2013-01-29 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Piezoelectric speaker, speaker apparatus, and tactile feedback apparatus |
| KR20150031328A (ko) * | 2012-07-06 | 2015-03-23 | 럭스뷰 테크놀로지 코포레이션 | 실리콘 전극을 갖는 유연성 바이폴라 마이크로 디바이스 이송 헤드 |
| WO2025204537A1 (ja) * | 2024-03-28 | 2025-10-02 | 富士フイルム株式会社 | 圧電積層体及び圧電素子 |
| WO2025204538A1 (ja) * | 2024-03-28 | 2025-10-02 | 富士フイルム株式会社 | 圧電積層体及び圧電素子 |
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|---|---|
| JP3062967B2 (ja) | 2000-07-12 |
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