JPH0875759A - 微小変位素子及びこれを用いたデバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 空気によるダンパー効果を低減し、作製時間
を短縮できる構造のトーションレバー型微小変位素子お
よびこれを用いた情報処理装置を提供する。 【構成】 基板１上に空隙４を介して形成された平板駆
動部８と、基板１上に支持され平板駆動部８の回転支持
を行なう二つの梁９と、平板駆動部８を駆動する駆動手
段（３、７）を有する微小変位素子において、平板駆動
部８内に、空気の出入りをさせる開口部１１を設けた構
造とする。

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微
小変位素子及びこれを用いたデバイス、例えば微小変位
素子を用いた光偏向器、微小変位素子を用いたプロー
ブ、プローブを用いた走査型プローブ顕微鏡、およびプ
ローブを用いた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り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］。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。

【０００６】また、最近さらにＳＴＭ技術から派生し
た、ティップの微小な先端と試料表面の相互作用を利用
した各種の顕微鏡が開発されている。

【０００７】代表的なものとして、原子間力顕微鏡（Ａ
ＦＭ）、摩擦力顕微鏡（ＦＦＭ）などがあり、前記ＳＴ
Ｍも含めて走査型プローブ顕微鏡（以下、ＳＰＭと略
す）と総称されている。

【０００８】前記ＳＴＭの例に限らず、ＳＰＭの原理を
応用しても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り、開発が行
われている。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】また、その他に、両持ち梁のねじれ弾性を
利用して、両持ち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と称す）が提案
されている（特開平４ー１９４８号公報参照）。

【００１２】図７は、従来のトーションレバー型微小変
位素子を示す図である。

【００１３】図７において、基板１０１上には、絶縁層
１０２が形成されている。絶縁層１０２上には固定電極
１０３が形成され、その上に空隙部１０４を介して平板
駆動部１０８が形成されている。平板駆動部１０８は、
回転支持を行う両持ちの梁１０９によって支持部１１０
に支持されており、平板駆動部１０８上には、固定電極
と対向する位置に、駆動用の上電極１０７が形成されて
いる。

【００１４】以上のように構成されたトーションレバー
型微小変位素子において、基板１０１上の固定電極１０
３に対して、上電極１０７に電圧を印加すると、固定電
極１０３と上電極１０７との間に静電力が働く。この静
電力によって、平板駆動部１０８の後端部が固定電極１
０３に引き寄せられ、梁１０９がねじれることで、平板
駆動部１０８全体が、梁１０９を軸として回転する。

【００１５】上述したトーションレバー型は、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
端が基板に向って変位するため、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向き
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。

【００１６】なお、このようなトーションレバー型微小
変位素子は、上記のようなＳＰＭへの応用のほかに、光
偏向器や、微小機械スイッチへの応用も考えられる。マ
イクロメカニクス技術を用いた機械式光学素子である光
偏向器としてはＫ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎにより提案さ
れたシリコンによるＴｏｒｓｉｏｎａｌ Ｓｃａｎｎｉ
ｎｇ Ｍｉｒｒｏｒ（ＩＢＭ Ｊ．ＲＥＳ．ＤＥＶＥＲ
ＯＰ．，ＶＯＬ．２４．Ｎｏ．５，９．１９８０，ｐｐ
６３１―６３７）等がある。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の微小変位素子では、可動部となる平板駆動
部が、基板に対して非常に近接した位置で駆動されるこ
とになるため、基板と平板駆動部の間に存在する空気に
よりダンパー効果が生じていた。このため、微小変位素
子の動きに悪影響を与え、動作の高速化にも問題があっ
た。

【００１８】また、上記のような微小変位素子を作製す
る際には、基板と平板駆動部の空隙部を形成するため
に、この空隙部に相当する厚さの犠牲層を作製し、その
上に前記平板駆動部を形成した後、犠牲層をエッチング
溶液で除去する工程が必要であった。ところが、この溶
液は、平板駆動部の下の犠牲層部分に侵入するのに時間
がかかり、エッチングに時間がかかるため、素子作製に
長時間を要していた。

【００１９】本発明は上記したような従来の技術が有す
る問題点を解決するためになされたものであり、空気に
よるダンパー効果を低減してより高速動作を可能とする
とともに、作製時間を短縮できる微小変位素子を提供す
ることを目的とする。また、これを用いることにより高
速動作可能な光偏向器、走査型プローブ顕微鏡、及び記
録再生装置等のデバイスを提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の微小変位素子は、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
する二つの梁と、前記平板駆動部を駆動する駆動手段と
を有するトーションレバー型の微小変位素子において、
前記平板駆動部内に開口部が形成されていることを特徴
とする。

【００２１】このとき、前記開口部は、前記二つの梁を
結んだ直線によって二分された領域のうち、一方の領域
にのみ設けられていていてもよく、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。

【００２２】また、前記微小変位素子と、前記微小変位
素子の平板駆動部上に、光を反射する反射手段とを備え
ることで光偏向器を構成してもよく、前記平板駆動部
が、前記反射手段を兼ねていてもよい。

【００２３】さらに、前記微小変位素子と、前記微小変
位素子の平板駆動部に形成されたティップとを有するこ
とでプローブを構成し、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、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。

【００２４】

【作用】上記のように構成された本発明の微小変位素子
は、変位動作を行なう平板駆動部に開口部を設けたの
で、平板駆動部が変位するときには、この開口部から空
気が出入りし、基板と平板駆動部の間に存在する空気に
よって生じるダンパー効果が低減される。また、平板駆
動部の軽量化も図られ、ダンパー効果の低減と相まっ
て、平板駆動部の高速化が可能となる。

【００２５】一方、製造時においては、平板駆動部を基
板上に空隙部を介して配置することから、基板上に犠牲
層を形成し、平板駆動部が形成された後、その犠牲層を
除去する必要がある。その際、犠牲層を除去するための
エッチング溶液等の除去液が、平板駆動部の端部だけで
なく開口部からも侵入するため、犠牲層の除去が迅速に
行なわれる。

【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）本実施例は、トーションレ
バー型微小変位素子を用いたプローブの構成を示すもの
である。

【００２８】図１は本発明の微小変位素子を用いたプロ
ーブの一実施例の構成を示す斜視図である。

【００２９】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、その上に空隙部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は、回転支持を行う両持ちの梁
９によって、支持部１０に支持されており、平板駆動部
８には、梁９からなる回転軸によって２分される領域の
うち、固定電極３と対向する領域に、駆動用の上電極７
が形成されている。また、もう一方の領域には、開口部
１１が形成されており、その先端には、情報入出力用の
ティップ１２が形成され、ティップ１２からティップ用
配線１３が形成されている。

【００３０】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全体が両持ち梁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。

【００３１】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を用いて説明する。

【００３２】図２は図１に示した微小変位素子の作製工
程図である。

【００３３】本実施例の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。

【００３４】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３００ｎｍの膜厚で成膜し、絶縁層２を形
成した。

【００３５】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２００ｎｍ堆積し、レジストを除去す
ることにより固定電極３を形成した。そして、その上に
酸化亜鉛をスパッタリング法により２μｍ堆積させた
後、フォトレジストを塗布、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を形成した。

【００３６】次に、図２（ｂ）に示すように、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
させた。そして、レジストを除去することにより上電極
７およびティップ用配線１３を形成した。

【００３７】続いて、図２（ｃ）に示すように、酸化シ
リコンをレジストを用いてパターニングした後、ＣＦ₄
ガスを用いて、反応性イオンエッチング法にてエッチン
グし、開口部１１を持つ平板駆動部８および梁９（図１
参照）を形成した。

【００３８】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。

【００３９】まず、図２（ｄ）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の表面に、後述するエッチングのための保
護層として、シリコン窒化膜２２を減圧ＣＶＤ（ＬＰＣ
ＶＤ）により１００ｎｍ堆積した。

【００４０】次に、図２（ｅ）に示すように、シリコン
窒化膜２２を図１に示すティップ形状を基に、フォトエ
ッチングにより除去し、第２の基板２１の一部を露出さ
せた。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、ティップ部分の型となる逆ピラミッド状の
ティップ用凹部２３を形成した。

【００４１】ティップ用凹部２３が形成されたら、図２
（ｆ）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した。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のパターンを形成した。

【００４２】続いて、ティップ１２を平板駆動部８上に
あるティップ用配線１３上に接着して加重を加え、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２（ｇ）に示すように、基板１に転写し
た。

【００４３】最後に、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、図２（ｈ）に示すように、平
板駆動部８と固定電極３間の空隙部４を形成した。

【００４４】この工程において、平板駆動部８には、開
口部１１が形成されているので、犠牲層５用のエッチン
グ溶液は、平板駆動部８の端部のみならず、開口部１１
からも侵入でき、エッチングが極めて迅速に行える。

【００４５】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。

【００４６】なお、前述の第２の基板２１のエッチング
方法としては単結晶シリコン、ＧａＡｓ半導体等の結晶
異方性エッチングはもちろん、転写可能な形状にエッチ
ングできるものであれば等方性エッチングを用いること
もできる。また、シリコン窒化膜２２は第２の基板２１
をエッチングするときの保護膜であるから、この時のエ
ッチング液に耐えられるものならば何でもよい。

【００４７】また、本実施例のトーションレバー型プロ
ーブには、同一の基板１上に半導体プロセスにより作製
した駆動回路、位置制御回路、信号検出回路を備えてい
てもよい。

【００４８】本実施例で作製したトーションレバー型プ
ローブでは、梁９は幅を５μｍ、長さを５０μｍとし、
平板駆動部８は長手方向の長さを２００μｍ、幅を１０
０μｍとした。

【００４９】また、開口部１１は、２本の梁９を結んだ
直線よりもティップ１２側に設け、幅を６０μｍ、平板
駆動部８の長手方向に沿った長さが最大６０μｍとなる
ように、図１に示したような形状で作製した。また、駆
動用の上電極７は、２本の梁９を結んだ直線に対し、開
口部１１とは反対側に設けた。

【００５０】本実施例によるトーションレバー型プロー
ブによれば、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。

【００５１】また、変位動作を行う平板駆動部８に開口
部１１を設けることで、この開口部１１により、基板１
と平板駆動部８の間に存在する空気の出入りを行わせ、
空気により生じるダンパー効果を低減することができ
る。さらに可動部である平板駆動部８が軽量化するた
め、素子の動作の高速化が図れる。

【００５２】さらに、平板駆動部８の二つの梁９を結ん
だ直線で二分した領域の一方にのみ開口部１１を設ける
ことで、開口部１１を設けながらも駆動手段である固定
電極３と上電極７の面積を駆動に必要なだけ設けること
ができる。

【００５３】そして、平板駆動部８上にティップ１２を
設けることにより、高速動作可能なプローブを得ること
ができる。

【００５４】また、作製の最後の工程である犠牲層５の
エッチング除去時には、犠牲層５用のエッチング溶液
が、平板駆動部８の端部のみならず、開口部１１からも
侵入するため、エッチングが極めて迅速に行える。した
がって、これに要する時間が開口部１１を設けない場合
に比べて１／３〜１／４に短縮できた。

【００５５】（第２実施例）本実施例では本発明の微小
変位素子を使用したトーションレバー型の光偏向器につ
いて述べる。

【００５６】図３は、本発明の微小変位素子を用いた光
偏向器の一実施例の斜視図である。

【００５７】図３において、基板３１上には、絶縁層３
２が形成されている。絶縁層３２上には固定電極３３が
形成され、その上に空隙部３４を介して平板駆動部３８
が形成されている。平板駆動部３８は、回転支持を行う
両持ちの梁３９によって支持部４０に支持されており、
梁３９からなる回転軸で２分される一端部が、固定電極
３３と対向するように配置されている。また、平板駆動
部３８には、開口部４１が形成されている。

【００５８】なお、本実施例では、光の反射手段とし
て、平板駆動部３８をアルミニウム（Ａｌ）によって形
成している。

【００５９】上記構成に基づき、固定電極３３と平板駆
動部３８の間に電圧を印加すると、固定電極３３と平板
駆動部３８の間に静電力が発生し、平板駆動部３８の一
端部が固定電極３３に引き寄せられる。これにより、梁
３９がねじれて、平板駆動部３８全体が両持ち梁３９の
軸回りに回転する。このことを利用して平板駆動部３８
の傾きを所望の角度にし、平板駆動部３８表面に照射し
た光を所望の角度に反射させることができる。

【００６０】次に、本実施例の作製工程を図４を用いて
説明する。

【００６１】図４は図３に示した光偏向器の作製工程図
である。

【００６２】まず、Ｓｉからなる基板３１上にシリコン
窒化膜を減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）により３００ｎｍ成
膜し絶縁層３２を形成した。

【００６３】次に、絶縁層３２上に、固定電極３３とな
るポリシリコン膜をＬＰＣＶＤにより３００ｎｍ成膜し
た。そして、イオン注入法によりリン（Ｐ）を１０
¹⁶（ｉｏｎｓ／ｃｍ² ）注入し、およそ１１００℃の窒
素雰囲気中で約１時間拡散処理を施した。この結果、ポ
リシリコンのシート抵抗は１２Ω／ｃｍ² となった。

【００６４】次に、フォトレジストを塗布し露光、現像
を行うフォトリソグラフィプロセスを用いて、ポリシリ
コン膜に、フォトレジストによるパターニングを施し、
フッ酸と硝酸の混合水溶液によりエッチングして、ポリ
シリコンをパターン形成する。その後、フォトレジスト
を剥離して、固定電極３３を形成した。

【００６５】固定電極３３を形成したら、犠牲層３５と
なるフォトレジストを３μｍの厚さで塗布した。なお、
このとき支持部４０（図３参照）となる部分を、パター
ニング除去した（図４（ａ））。

【００６６】次に、犠牲層３５上にＡｌを真空蒸着法に
よりスパッタリングし、３００ｎｍ堆積させた。その
後、フォトレジストを塗布し、パターニングした後、り
ん酸、硝酸、酢酸および水の混合液からなるエッチャン
トを約５０℃に加熱し、Ａｌをエッチングして、梁３９
（図３参照）および開口部４１を持つ平板駆動部３８を
形成した（図４（ｂ））。

【００６７】最後に、アセトンを用いて犠牲層３５であ
るフォトレジストを除去することで、固定電極３３と平
板駆動部３８の間に空隙部３４が形成され、トーション
レバー型光偏向装置を得ることができた（図４
（ｃ））。

【００６８】本実施例のトーションレバー型光偏向器に
おいては、梁３９の幅を１０μｍ、長さを３０μｍと
し、平板駆動部３８は、長手方向の長さを１２０μｍ、
幅を９０μｍとした。また、開口部４１は、幅を３０μ
ｍ、平板駆動部３８の長手方向に沿った長さを４５μｍ
となるように、図３に示した形状で作製した。

【００６９】なお、開口部４１の大きさは、トーション
レバー型光偏向器として十分な反射光が得られ、かつ駆
動手段である固定電極３３と平板駆動部３８との対向面
積を駆動に十分なだけ設けることができる範囲で任意に
選ぶことができる。

【００７０】本実施例によるトーションレバー型光偏向
器によれば、変位動作を行う平板駆動部３８に開口部４
１を設けることにより、基板３１と平板駆動部３８の間
に存在する空気により生じるダンパー効果が低減し、同
時に可動部である平板駆動部３８の軽量化が図れ、素子
の動作の高速化が図れる。このようにして、薄膜プロセ
スを用いて高速動作可能なトーションレバー型光偏向器
を得ることができる。上述した第１実施例および第２実
施例に示した微小変位素子は、極めて小型かつ軽量にア
レイ化して作製できる。また、固定電極と平板駆動部と
の接触によるショートを防止するための絶縁膜を、固定
電極上あるいは平板駆動部の下に備えていてもよい。

【００７１】さらに、上述した第１実施例および第２実
施例では、静電力により駆動するトーションレバー型微
小変位素子を用いているが、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。

【００７２】また、絶縁層、犠牲層、電極、平板駆動部
および梁の形成方法は、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リン
グ法、化学気相成長法等の薄膜作製技術やフォトリソグ
ラフィ技術およびエッチング技術を適用することがで
き、その作製方法は特に制限されるものではない。

【００７３】（第３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用いた走査型プローブ顕微
鏡について述べる。

【００７４】図５は図１に示した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。

【００７５】図５において、ＸＹステージ５７には、第
１実施例で示したものと同様に、開口部（不図示）を有
する平板駆動部５８にティップ５４が形成されたプロー
ブ５１が配置されている。また、被観察基板５５は、プ
ローブ５１のティップ５４に対向するように配置され
る。

【００７６】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。

【００７７】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。

【００７８】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。

【００７９】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。

【００８０】サーボ回路４２は、プローブ５１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（高さ方向）の制御を行なう。

【００８１】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。

【００８２】本実施例の走査型プローブ顕微鏡は、プロ
ーブ５１として本発明のプローブを用いているので、プ
ローブ５１が動作する際、平板駆動部の開口部（不図
示）により、空気が出入りするため、ダンパー効果が低
減し、プローブの動作の高速化が図れる。したがって、
システム全体としても高速化が図れる。

【００８３】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。

【００８４】（第４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個用いた記録再生装置
について述べる。

【００８５】図６は図１に示したプローブを複数個用い
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。

【００８６】図６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。

【００８７】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。

【００８８】記録再生ヘッド部７６は、第１実施例で示
したものと同様に、開口部（不図示）を有する平板駆動
部６２にティップ６４を形成したプローブ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。

【００８９】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。

【００９０】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。

【００９１】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５ｎ
ｍ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。

【００９２】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）。

【００９３】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。

【００９４】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。

【００９５】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。

【００９６】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。

【００９７】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。

【００９８】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。

【００９９】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。

【０１００】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、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。

【０１０１】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。

【０１０２】以上説明したように、本発明のトーション
レバー型プローブを用いて、記録再生装置を構成するこ
とにより、記録再生ヘッド部７６のプローブ６１が動作
する際、平板駆動部６２には開口部を有するので、空気
によるダンパー効果が低減し、プローブの動作の高速化
が図れる。したがって、システム全体としても高速化が
図れる。

【０１０３】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。 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。

【０１０４】

【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、以下に記載されている効果を奏する。

【０１０５】請求項１に記載のものにおいては、変位動
作を行う平板駆動部に開口部を設けることで、平板駆動
部が変位する際に生じるダンパー効果を低減することが
できるとともに、可動部である平板駆動部が軽量とな
り、素子をより高速に動作させることができる。また微
小変位素子を製造する際に、犠牲層を除去する工程にお
いて、除去液が平板駆動部の端部だけでなく開口部から
も侵入するため、犠牲層の除去を迅速に行なうことがで
きる。すなわち、微小変位素子の製造に要する時間を、
開口部を設けない場合に比べて短縮することができる。

【０１０６】請求項２に記載のものにおいては、平板駆
動部の二つの梁を結んだ直線で二分した一方にのみ開口
部を設けることで、開口部を設けながらも駆動手段であ
る電極の面積を駆動に必要なだけ設けることができる。

【０１０７】請求項３に記載のものにおいては、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。

【０１０８】請求項４、５、７および８に記載のものに
おいては、それぞれ平板駆動部に開口部を設けた微小変
位素子を用いているので、素子の高速駆動が可能とな
り、結果的には、装置全体としても高速で動作させるこ
とができる。

【０１０９】請求項６に記載のものにおいては、素子上
にティップを設けることにより高速動作可能なプローブ
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の微小変位素子を用いたプローブの一実
施例の構成を示す斜視図である。

【図２】図１に示した微小変位素子の作製工程図であ
る。

【図３】本発明の微小変位素子を用いた光偏向器の一実
施例の斜視図である。

【図４】図３に示した光偏向器の作製工程図である。

【図５】図１に示した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。

【図６】図１に示したプローブを複数個用いた記録再生
装置の一実施例の主要構成を示すブロック図である。

【図７】従来のトーションレバー型微小変位素子を示す
図である。

【符号の説明】

１、３１ 基板 ２、３２ 絶縁層 ３、３３ 固定電極 ４、３４ 空隙部 ５、３５ 犠牲層 ７ 上電極 ８、３８、５８、６２ 平板駆動部 ９、３９ 梁 １０、４０ 支持部 １１、４１ 開口部 １２ ティップ １３ ティップ用配線 ２１ 第２の基板 ２２ シリコン窒化膜 ２３ ティップ用凹部 ４１ トンネル電流増幅器 ４２ サーボ回路 ４３ ＸーＹ走査回路 ４４ メモリー ４５ マイクロコンピューター 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 ６１ プローブ 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 記録電圧印加回路 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

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二つの
   梁と、前記平板駆動部を駆動する駆動手段とを有するト
   ーションレバー型の微小変位素子であって、 前記平板駆動部内に開口部が形成されていることを特徴
   とする微小変位素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の微小変位素子におい
   て、 前記開口部は、前記二つの梁を結んだ直線によって二分
   された領域のうち、一方の領域にのみ設けられたことを
   特徴とする微小変位素子。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の微小変位素子
   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
   特徴とする微小変位素子。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３いずれか１項に記載の
   微小変位素子と、 前記微小変位素子の平板駆動部上に、光を反射する反射
   手段とを有することを特徴とする光偏向器。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の光偏向器において、 前記平板駆動部が、前記反射手段を兼ねていることを特
   徴とする光偏向器。
6. 【請求項６】 請求項１ないし３いずれかに１項に記載
   の微小変位素子と、 前記微小変位素子の平板駆動部に形成されたティップと
   を有することを特徴とするプローブ。
7. 【請求項７】 請求項６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６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。