JP3053971B2 - トンネル電流発生用三次元変位素子、該トンネル電流発生用三次元変位素子を用いたマルチ探針ユニット、および情報処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
やその応用装置に用いられる、トンネル電流発生用三次
元変位素子、該トンネル電流発生用三次元変位素子を用
いたマルチ探針ユニット、さらには、走査型トンネル顕
微鏡を応用した情報処理装置および情報処理方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、メモリ素子およびメモリシステム
の用途は、コンピュータおよびその関連機器、ビデオデ
ィスク、デジタルオーディオディスク等の多岐にわた
り、エレクトロニクス産業の中核をなしている。従来に
おいては磁気メモリや半導体メモリが主流であったが、
最近のレーザ技術の進展にともない、安価で高密度な記
録媒体を用いた光メモリ素子等が登場している。しか
し、今後のホームユースでのコンピュータ利用や画像を
中心とした情報産業化が進む中、さらに記憶容量が大き
く、かつ容積を小さくしたメモリ装置あるいは記録再生
装置の具現化が望まれている。

【０００３】一方、導体の表面原子の原子構造を直接観
察できる走査型トンネル顕微鏡（以下、「ＳＴＭ」とい
う）が開発され、単結晶、非結晶を問わず実空間で高い
分解能の測定ができるようになっている。ＳＴＭは金属
の探針と導電性物質との間に電圧を加えて１ｎｍ程度の
距離まで近付けることで両者間に流れるトンネル電流を
検知する方法を用いているため、導電性物質に損傷を与
えずに、かつ低電力で観察できる利点を有する。また、
超高真空中のみならず大気中、溶液中でも動作し、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。特に、導電性物質（記録媒体）中に
高分解能で情報を書き込む記録装置、また、記録媒体中
に書き込まれた情報を高分解能で読み出す再生装置とし
ての応用が進められている。

【０００４】このようなＳＴＭ技術を応用した記録再生
装置では、探針と記録媒体とを１ｎｍ程度まで近付ける
ため、探針と記録媒体との距離をオングストローム単位
で制御すること、および、両者の距離方向に直交する平
面内の二次元走査を数十オングストローム単位で制御す
ることが重要となる。さらに、記録再生の機能向上、特
に高速化の観点から、複数の探針を同時に駆動すること
（探針のマルチ化）が提案されている。この場合、複数
の探針が配置された面積内で上記の精度で探針と記録媒
体の相対位置を三次元的に制御する必要がある。

【０００５】従来、この制御には、探針側あるいは記録
媒体側に取り付けられたトライポッド型圧電素子、円筒
型圧電素子等が用いられている。しかしこれらの素子
は、変位量が大きくとれるものの集積化には適しておら
ず、複数探針型の記録再生装置に使用するのは不利であ
る。そこで、この観点から、同一平面上に配置された複
数個の微小カンチレバーの自由端部にそれぞれ探針を取
り付け、前記各カンチレバーをそれぞれ圧電力あるいは
静電力で、探針と記録媒体との距離方向に駆動する記録
装置が提案されている。また、関連技術として、ＳＴＭ
の例ではあるが、ウエハ中に、２対の弾性体により同一
平面内の互いに異なる２方向に変位可能に支持される構
造体を、ウエハと一体的に設けるとともに、この構造体
に、探針が設けられた自由端部が前記平面と垂直方向に
変位可能なカンチレバーを一体的に設け、静電力で前記
探針を三次元的に微小変位させるものも提案されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の記録再生装置においては、実際に複数の探針を
用いた記録再生や消去を行なう場合、周囲の温度変化
や、記録媒体の支持体や複数の探針を支持する探針支持
体の歪み、探針先端の破損等により、各探針先端位置と
それに対応する記録媒体上の各記録位置との間に、探針
と記録媒体との距離方向と垂直な方向の微小位置ずれが
生ずる。また、ある探針支持体によって記録された記録
媒体に対して、探針支持体を交換して別の探針支持体に
よって再生を行なったり、引続き記録を行なったり消去
を行なう場合も、公差範囲内の寸法のばらつき等によ
り、同様の微小位置ずれが生ずる。

【０００７】このような場合、上記従来例では、各探針
先端位置とそれに対応する記録媒体上の各記録位置との
間の微小位置ずれを、個々の探針位置と記録位置につい
て個別に補正していないため、全ての探針と記録媒体と
の間で同時に記録・再生・消去を行なうことができず、
探針位置と記録位置とを補正してから記録・再生・消去
を行なうという手順を各探針毎に行なう必要が生じるた
め、全ての探針で記録・再生・消去を行なうには長時間
を要するという問題があった。

【０００８】また、カンチレバーが一体的に設けられた
構造体を、静電力により前記カンチレバーの変位方向と
垂直な平面内で変位させる従来のＳＴＭの例を応用すれ
ば、前述の微小位置ずれを個別に補正可能であるが、平
面内で変位される部材（構造体）と、それに垂直方向に
変位される部材（カンチレバー）とは互いに独立して変
位されるため、構造が複雑で作製プロセスが複雑になっ
てしまう。さらに、探針はカンチレバーの自由端部に設
けられているのでカンチレバーが変位すると探針が傾
き、これも、探針と記録媒体との微小位置ずれの要因と
なるものである。

【０００９】本発明の目的は、構造が簡単で、しかも探
針の位置ずれを容易に補正でき、記録・再生・消去を短
時間で行なうことのできるトンネル電流発生用三次元変
位素子、該トンネル電流発生用三次元変位素子を用いた
マルチ探針ユニット、及び情報処理装置を提供すること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明のトンネル電流発生用三次元変位素子は、探針が
設けられた可動部材と、前記可動部材を支持する支持部
材と、前記可動部材を三次元方向で可動に支持するため
の、直交する２方向において対称に配置され、且つ前記
可動部材と前記支持部材とに接続された複数の弾性部材
と、前記可動部材を少なくとも直交する２方向に移動さ
せるための静電駆動手段とを有することを特徴とする。

【００１１】また、本発明のマルチ探針ユニットは、上
記本発明のトンネル電流発生用三次元変位素子が同一平
面上に複数個配置されていることを特徴とする。

【００１２】本発明の情報処理装置は、上記本発明のト
ンネル電流発生用三次元変位素子を用いて、トンネル電
流を検出することにより記録媒体上の情報を記録及び再
生するものである。

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【作用】上記のとおり構成された本発明では、探針の位
置と、探針に対向配置される記録媒体の位置とがずれて
いる場合、静電駆動手段により可動部材が変位され、探
針の位置と記録媒体の位置とのずれが補正される。ま
た、各弾性部材は、直交する２方向において対称に配置
され、且つ可動部材と支持部材とに接続されているの
で、可動部材が記録媒体との距離方向に変位する際に
は、可動部材はそのまま前記距離方向に平行移動し、探
針が傾かず記録媒体との位置ずれも発生しない。

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【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。

【００２０】図１は、本発明のトンネル電流発生用三次
元変位素子の第１実施例の平面図であり、図２は、図１
に示したトンネル電流発生用三次元変位素子のＡ−Ａ線
断面図である。図１および図２に示すように、支持部材
としてのフレーム１００の中空部１０２には、それぞれ
フレーム１００に一体的に設けられた、矩形波形状の第
１の弾性部材１１１および第３の弾性部材１１３が互い
に対向配置され、さらに、第１の弾性部材１１１および
第３の弾性部材１１３と同様の第２の弾性部材１１２お
よび第４の弾性部材１１４が、第１の弾性部材１１１お
よび第３の弾性部材１１３の向きに対して垂直向きに、
互いに対向配置されている。そして、フレーム１００の
中空部１０２には可動部材としてのマイクロステージ１
０１が、これら各弾性部材１１１、１１２、１１３、１
１４に一体的に設けられて弾性的に支持されている。こ
のフレーム１００は、Ｓｉ基板１０４上に薄膜としての
Ｓｉ₃Ｎ₄膜１０５を積層したものであり、マイクロステ
ージ１０１および各弾性部材１１１、１１２、１１３、
１１４は、このＳｉ₃Ｎ₄膜１０５から形成されたもので
ある。

【００２１】マイクロステージ１０１の一面の中央部に
は、導電性を有する、先端が尖鋭な円錐状の探針１０３
が設けられている。探針１０３の先端は、分解能を向上
させるためにできるだけ細い方が好ましい。探針１０３
の根元からは、探針１０３によって検出された電流を取
り出すための第１の配線１３１が、第１の弾性部材１１
１上を通って引き出されている。マイクロステージ１０
１の、探針１０３の周囲にはシールドも兼ねるグラウン
ド電極１０６が設けられ、このグラウンド電極１０６か
らは、第２の弾性部材１１２上を通って第２の配線１３
２が引き出されているとともに、第３の弾性部材１１３
上を通って第３の配線１３３が引き出されている。ま
た、フレーム１００の、マイクロステージ１０１のｘ方
向側の端部に対向する部位には、グラウンド電極１０６
に近接してｘ方向静電アクチュエータ電極１０７が設け
られている。同様に、フレーム１００の、マイクロステ
ージ１０１のｙ方向側の端部に対向する部位には、グラ
ウンド電極１０６に近接してｙ方向静電アクチュエータ
電極１０８が設けられている。ｘ方向静電アクチュエー
タ電極１０７およびｙ方向静電アクチュエータ電極１０
８からは、それぞれ第４の配線１３４および第５の配線
１３５が引き出されており、グラウンド電極１０６は、
ｘ方向静電アクチュエータ電極１０７およびｙ方向静電
アクチュエータ電極１０８の対向電極となるものであ
る。

【００２２】ここで、上述した本実施例のトンネル電流
発生用三次元変位素子の大きさは、以下に示すとおりで
ある。中空部１０２は、ｘ方向の長さおよびｙ方向の長
さともに２００μｍである。マイクロステージ１０１
は、ｘ方向の長さおよびｙ方向の長さともに１００μ
ｍ、厚さ（ｚ方向）が１μｍであり、マイクロステージ
１０１上のグラウンド電極１０６と各静電アクチュエー
タ電極１０７、１０８との間隔は１μｍである。また、
各弾性部材１１１、１１２、１１３、１１４は、それぞ
れ線幅が２μｍで、厚さが１μｍ、実効長（折れ曲がり
を延ばした長さ）が１００μｍである。このように各弾
性部材１１１、１１２、１１３、１１４はそれぞれ、Ｓ
ｉ₃Ｎ₄膜１０５から形成されているため極めて剛性が低
く、どの方向にも変形可能なので、マイクロステージ１
０１は、ｘ、ｙ、ｚの三方向に微小に変位が可能であ
る。また、各弾性部材１１１、１１２、１１３、１１４
を破壊させない範囲内のマイクロステージ１０１の変位
ストロークは、ｘｙ各方向に１μｍ、ｚ方向に５μｍ以
下であり、各弾性部材１１１、１１２、１１３、１１４
の弾性定数は、ｘｙ各方向には３Ｎ／ｍ、ｚ方向には
０．５Ｎ／ｍである。

【００２３】上述した構成に基づいて、第３の配線１３
３と第４の配線１３４との間に電圧を印加すると、ｘ方
向静電アクチュエータ電極１０７とグラウンド電極１０
６との間に静電力による引力が生じ、この引力によりマ
イクロステージ１０１をｘ方向に微動変位させることが
できる。具体的には、１５Ｖの電圧を印加することによ
り、マイクロステージ１０１はｘ方向に１０ｎｍだけ微
動変位する。同様に、第３の配線１３３と第５の配線１
３５との間に電圧を印加することにより、マイクロステ
ージ１０１はｙ方向に微動変位される。また、ｚ方向へ
は特に駆動手段を設けていないが、探針１０３が、探針
１０３に対向配置される導電性物質（記録媒体）に接触
してｚ方向への力を受けることにより、各弾性部材１１
１、１１２、１１３、１１４が弾性変形して微動変位さ
れる。

【００２４】次に、本実施例のトンネル電流発生用三次
元変位素子の製造手順について説明する。まずＳｉ基板
１０４上に、スパッタ法によりＳｉ₃Ｎ₄膜１０５を１μ
ｍの膜厚で成膜形成し、フォトリソグラフィ法により中
空部１０２に相当する部位のＳｉ₃Ｎ₄膜１０５を除去し
て、マイクロステージ１０１および各弾性部材１１１、
１１２、１１３、１１４のパターンを形成する。次に、
ＡｕをＳｉ₃Ｎ₄膜１０５上に０．１μｍの膜厚で蒸着
後、フォトリソグラフィ法によりグラウンド電極１０
６、各静電アクチュエータ電極１０７、１０８および各
配線１３１、１３２、１３３、１３４、１３５のパター
ンを形成する。さらに、マイクロステージ１０１の中央
部に、探針１０３をＰｔのスピント法やＣの電子ビーム
デポジション法により形成する。最後に、Ｓｉ基板１０
４の、中空部１０２となる部位をＫＯＨ溶液を用いて異
方性エッチングにより除去し、マイクロステージ１０１
および各弾性部材１１１、１１２、１１３、１１４を形
成する。

【００２５】以上説明したように本実施例のトンネル電
流発生用三次元変位素子は、フレーム１００のＳｉ₃Ｎ₄
膜１０５から、各弾性部材１１１、１１２、１１３、１
１４およびマイクロステージ１０１を一体形成している
ので、構成が簡単になり、より小型化が可能となるとと
もに、製造工程も簡単になる。また、マイクロステージ
１０１を変位させる際には、全ての弾性部材１１１、１
１２、１１３、１１４がそれぞれｘ、ｙ、ｚの各方向に
変形することでその機能を果たすため、三次元変位素子
全体を小さくすることができる。さらに、マイクロステ
ージ１０１はその相対する部位を支持されているので、
マイクロステージ１０１がｚ方向に変位するときにはｘ
ｙ平面に平行に変位し、探針１０３の傾きが発生しなく
なるし、探針１０３と探針１０３に対向配置される導電
性物質（記録媒体）とを互いに接触させた状態で探針１
０３をｘｙ方向に走査する場合にも、マイクロステージ
１０１のねじれが発生しにくくなる。その結果、探針１
０３と記録媒体とのｘｙ方向のずれが発生しにくくな
る。

【００２６】次に、本発明のトンネル電流発生用三次元
変位素子の第２実施例について説明する。

【００２７】図３は、本発明のトンネル電流発生用三次
元変位素子の第２実施例の平面図であり、図４は、図３
に示したトンネル電流発生用三次元変位素子のＢ−Ｂ線
断面図である。図３および図４に示すように、支持部材
としてのフレーム３００の中空部３０２には可動部材と
してのマイクロステージ３０１が配置されている。マイ
クロステージ３０１には、そのｘ方向側の両端部に、そ
れぞれｘ方向に延びる２つずつのｙ方向変位用弾性部材
３１２が一体的に設けられている。また、中空部３０２
の、マイクロステージ３０１の四方には、それぞれ中間
部材連結用弾性部材３１３により一体となって互いに弾
性的に連結された４つの中間部材３０９、３１０が配置
されており、各中間部材３０９、３１０のうち、マイク
ロステージのｘ方向側の２つの中間部材３０９は、それ
ぞれ各ｙ方向変位用弾性部材３１２を介してマイクロス
テージ３０１と一体的に接続され、マイクロステージ３
０１を弾性的に支持している。さらに、各中間部材３０
９、３１０のうち、マイクロステージ３０１のｙ方向側
の２つの中間部材３１０は、それぞれｙ方向に延びる２
つずつのｘ方向変位用弾性部材３１１を介してフレーム
３００と一体的に接続されており、フレーム３００に弾
性的に支持されている。これによりマイクロステージ３
０１は、各ｙ方向変位用弾性部材３１２、各中間部材連
結用弾性部材３１３を含む各中間部材３０９、３１０お
よび各ｘ方向変位用弾性部材３１１を順次介して、フレ
ーム３００に弾性的に支持される構成となっている。本
実施例でも、第１実施例と同様にフレーム３００は、Ｓ
ｉ基板３０４上に薄膜としてのＳｉ₃Ｎ₄膜３０５を積層
したものであり、マイクロステージ３０１、各弾性部材
３１１、３１２、３１３および各中間部材３０９、３１
０は、このＳｉ₃Ｎ₄膜３０５から形成されたものであ
る。

【００２８】マイクロステージ３０１の一面の中央部に
は、第１実施例のものと同様の探針３０３が設けられて
おり、探針３０３の根元からは、探針３０３によって検
出された電流を取り出すための第１の配線３３１が、ｙ
方向変位用弾性部材３１２、中間部材３０９、３１０、
中間部材連結用弾性部材３１３およびｘ方向変位用弾性
部材３１１上を通って引き出されている。シールドも兼
ねるグラウンド電極３０６は、マイクロステージ３０１
の探針３０３の周囲、マイクロステージ３０１の一端側
のｙ方向変位用弾性部材３１２、およびこのｙ方向駆動
用弾性部３１２材と接続する中間部材３０９にわたって
設けられている。このグラウンド電極３０６からは、グ
ラウンド電極３０６が設けられた中間部材３０９の一方
の中間部材連結用弾性部材３１３およびそれに接続する
中間部材３１０上を通って第２の配線３３２が引き出さ
れているとともに、グラウンド電極３０６が設けられた
中間部材３０９の他方の中間部材連結用弾性部材３１３
およびそれに接続する中間部材３１０上を通って第３の
配線３３３が引き出されている。また、フレーム３００
の、グラウンド電極３０６が設けられた中間部材３０９
のｘ方向側の端部に対向する部位には、グラウンド電極
３０６に近接してｘ方向静電アクチュエータ電極３０７
が設けられている。さらに、マイクロステージ３０１の
ｙ方向側に配置された一方の中間部材３１０の、マイク
ロステージ３０１のｙ方向側の端部に対向する部位に
は、グラウンド電極３０６に近接してｙ方向静電アクチ
ュエータ電極３０８が設けられている。ｘ方向静電アク
チュエータ電極３０７およびｙ方向静電アクチュエータ
電極３０８からは、それぞれ第１実施例と同様に第４の
配線３３４および第５の配線３３５が引き出されてお
り、グラウンド電極３０６は、ｘ方向静電アクチュエー
タ電極３０７およびｙ方向静電アクチュエータ電極３０
８の対向電極となるものである。

【００２９】ここで、上述した本実施例のトンネル電流
発生用三次元変位素子の大きさは、以下に示すとおりで
ある。中空部３０２は、ｘ方向の長さが１８０μｍ、ｙ
方向の長さが２００μｍである。マイクロステージ３０
１は、ｘ方向の長さが５０μｍ、ｙ方向の長さが７５μ
ｍ、厚さ（ｚ方向）が１μｍである。マイクロステージ
３０１上のグラウンド電極３０６とｙ方向静電アクチュ
エータ電極３０８との間隔、および中間部材３０９上の
グラウンド電極３０６とｘ方向静電アクチュエータ電極
３０７との間隔はともに１μｍである。また、各弾性部
材３１１、３１２、３１３は、それぞれ線幅が２μｍ
で、厚さが１μｍ、実効長が５０μｍである。そして、
各弾性部材３１１、３１２、３１３を破壊させない範囲
内のマイクロステージ３０１の変位ストロークは、ｘｙ
各方向に０．５μｍ、ｚ方向に２μｍ以下であり、各弾
性部材３１１、３１２、３１３の弾性定数は、ｘｙ各方
向には１０Ｎ／ｍ、ｚ方向には２Ｎ／ｍである。

【００３０】上述した構成に基づいて、第３の配線３３
３と第４の配線３３４との間に電圧を印加すると、ｘ方
向静電アクチュエータ電極３０７とグラウンド電極３０
６との間に静電力による引力が生じ、この引力により各
中間部材３０９、３１０は、各ｘ方向変位用弾性部材３
１１を弾性変形させつつ一体となってｘ方向に微動変位
される。このとき、各ｙ方向変位用弾性部材３１２には
変形が生じないので、各中間部材３０９、３１０の微動
変位に伴ってマイクロステージ３０１がｘ方向に微動移
動される。具体的には、１５Ｖの電圧を印加することに
より、マイクロステージ３０１はｘ方向に１０ｎｍだけ
微動変位する。同様に、第３の配線３３３と第５の配線
３３５との間に電圧を印加することにより、マイクロス
テージ３０１はｙ方向に微動変位される。そしてｚ方向
の微動変位は、第１実施例のものと同様に、探針３０３
に対向配置される導電性物質（記録媒体）が探針３０３
に接触することによる、各中間部材連結用弾性部材３１
３の弾性変形により行なわれる。

【００３１】本実施例のトンネル電流発生用三次元変位
素子の製造手順は、まずＳｉ基板３０４上に、スパッタ
法によりＳｉ₃Ｎ₄膜３０５を１μｍの膜厚で成膜形成
し、フォトリソグラフィ法により中空部３０２に相当す
る部位のＳｉ₃Ｎ₄膜３０５を除去して、マイクロステー
ジ３０１、各中間部材３０９、３１０および各弾性部材
３１１、３１２、３１３のパターンを形成する。次に、
ＡｕをＳｉ₃Ｎ₄膜３０５上に０．１μｍの膜厚で蒸着
後、フォトリソグラフィ法によりグラウンド電極３０
６、各静電アクチュエータ電極３０７、３０８および各
配線３３１、３３２、３３３、３３４、３３５のパター
ンを形成する。さらに、マイクロステージ３０１の中央
部に、探針３０３をＰｔのスピント法やＣの電子ビーム
デポジション法により形成する。最後に、Ｓｉ基板３０
４の、中空部３０２となる部位をＫＯＨ溶液を用いて異
方性エッチングにより除去し、マイクロステージ３０
１、各中間部材３０９、３１０および各弾性部材３１
１、３１２、３１３を形成する。

【００３２】以上説明したように本実施例のトンネル電
流発生用三次元変位素子は、各ｘ方向変位用弾性部材３
１１、各ｙ方向変位用弾性部材３１２、各中間部材連結
用弾性部材３１３の３種類の弾性部材を設け、これら各
種の弾性部材によって、それぞれｘ、ｙ、ｚ各方向への
変位を行なわせるため、第１実施例のものに比較して変
位素子全体がやや大きく、構成が複雑になるものの、３
方向の変位の相互干渉が少なく、より高精度な制御が可
能となる。

【００３３】次に、本発明のトンネル電流発生用三次元
変位素子を同一平面上に複数個並べたマルチ探針ユニッ
トについて説明する。

【００３４】図５は、本発明のマルチ探針ユニットの一
実施例の概略構成図である。図５に示すように本マルチ
探針ユニットは、図１に示した本発明のトンネル電流発
生用三次元変位素子の第１実施例のものと同様の、１６
個のトンネル電流発生用三次元変位素子を同一平面上に
マトリックス状に配置したものでありトンネル電流発生
用三次元変位素子の集積度を向上させたものである。各
トンネル電流発生用三次元変位素子には、それぞれ記録
再生用回路５５１、ｘ方向位置ずれ補正回路５５２およ
びｙ方向位置ずれ補正回路５５３が、一体集積化されて
設けられている。ここで、各トンネル電流発生用三次元
変位素子の構成については図１に示したものと同様であ
るので粗の説明は省略し、以下に、記録再生用回路５５
１および各位置ずれ補正回路５５２、５５３について説
明する。

【００３５】各記録再生用回路５５１は、記録再生装置
の記録信号回路からの記録信号を探針５０３に印加した
り、探針５０３によって検知した電流信号を、記録再生
装置の再生信号回路や位置ずれ量検出回路へ送る前に増
幅、変換するための回路であり、それぞれ各各トンネル
電流発生用三次元変位素子の第１の配線５３１に電気的
に接続されている。各ｘ方向位置ずれ補正回路５５２
は、マイクロステージ５０１をｘ方向に微動変位するた
めの信号を出力するｘ微動信号回路からの信号をもと
に、トンネル電流発生用三次元変位素子のｘ方向の位置
ずれを補正する信号をｘ方向静電アクチュエータ電極５
０７に印加するための回路であり、それぞれ各トンネル
電流発生用三次元変位素子の第４の配線５３４に電気的
に接続されている。同様に、各ｙ方向位置ずれ補正回路
５５３は、マイクロステージ５０１をｙ方向に微動変死
するための信号を出力するｙ微動信号回路からの信号を
もとに、トンネル電流発生用三次元変位素子のｙ方向の
位置ずれを補正する信号をｙ方向静電アクチュエータ電
極５０８に印加するための回路であり、それぞれ各トン
ネル電流発生用三次元変位素子の第５の配線５３５に電
気的に接続されている。このようにして、高速かつＳ／
Ｎ比のよい電流検出や、高速かつ精度のよいｘｙ方向の
位置ずれ補正が可能となった。

【００３６】図５に示したマルチ探針ユニットを用い
た、情報処理装置としての記録再生装置のシステム構成
を図６に示す。図６に示すように、マルチ探針ユニット
６０１の各探針５０３の先端に対向して、基板６０６上
に設けられた記録媒体６０７が配置されている。記録媒
体６０７は、電気メモリー効果を有するスクアリリウム
−ビス−６−オクチルアズレンをＬＢ法（累積法）によ
り累積したもので、電圧を印加することにより、その電
圧に応じて、電圧を印加された部位が高抵抗状態から低
抵抗状態になったり、低抵抗状態から高抵抗状態に状態
変化するものである。基板６０６は、マルチ探針ユニッ
ト６０１に対する記録媒体６０７のｘ、ｙ各方向の粗位
置決め、二次元方向の走査を行なうためのｘｙ駆動機構
６０８と、記録媒体６０７のｚ方向の粗位置決めを行な
うためのｚ駆動機構６０９とからなる駆動機構に取り付
けられている。ｘｙ駆動機構６０８およびｚ駆動機構６
０９は、それぞれ本記録再生装置の上位装置であるホス
トコンピュータ６１２からの制御に基づきｘｙ駆動回路
６１０およびｚ駆動回路６１１から出力される信号によ
り駆動されるものである。

【００３７】一方、マルチ探針ユニット６０１の各探針
５０３には、記録信号を各探針５０３に印加するための
記録手段としての記録信号回路６１３、記録媒体６０７
と各探針５０３との間に流れる電流を読み出すための再
生手段としての再生信号回路６１７、記録媒体６０７上
の各記録領域に対する各探針５０３の位置ずれ量を検出
するための位置ずれ量検出手段としての位置ずれ量検出
回路６１９は、それぞれ入出力信号を各探針５０３毎に
切り換えるための第１の切り換え回路６１４、第２の切
り換え回路６１６、第３の切り換え回路６１８を介して
電気的に接続されている。また、図５において説明した
ｘ微動信号回路とｙ微動信号回路とからなる、補正信号
出力手段としてのｘｙ微動信号回路６２０が、入力信号
を各静電アクチュエータ電極毎に切り換えるための第４
の切り換え回路６２１を介してマルチ探針ユニット６０
１の各静電アクチュエータ電極に接続され、さらに、バ
イアス電圧印加回路６１５が、基板６０６とマルチ探針
ユニット６０１の各グラウンド電極５０６に電気的に接
続されている。

【００３８】本記録再生装置による記録再生の詳細につ
いて以下に説明する。まず記録について説明する。ホス
トコンピュータ６１２からの信号に基づいて記録信号回
路６１３から出力される記録信号を第１の切り換え回路
６１４に入力する。第１の切り換え回路６１４では、ホ
ストコンピュータ６１２からのタイミング信号によっ
て、記録信号回路６１３から入力された記録信号の出力
先を各探針５０３毎に切り換える。これにより、各探針
５０３にはそれぞれホストコンピュータ６１２の制御に
基づく記録信号が印加され、記録媒体６０７への記録が
行なわれる。このとき各探針５０３に印加される電圧
は、その部位において記録媒体６０７が高抵抗状態から
低抵抗状態に変化するのに十分な電圧である。次に再生
について説明する。バイアス電圧印加回路６１５によ
り、バイアス電圧を基板６０６を通して記録媒体６０７
に印加しながら、記録媒体６０７と各探針５０３との間
に流れる電流を、ホストコンピュータ６１２からのタイ
ミング信号により、第２の切り換え回路６１６にて各探
針５０３毎に切り換えて再生信号回路６１７に出力す
る。再生信号回路６１７では、入力された値を読み出し
信号としてホストコンピュータ６１２に出力し、これに
より再生が行なわれる。ここで、記録媒体６０７として
は、各探針５０３からの電圧印加により形状変化を起こ
したり、電子状態変化を起こすことにより、流れる電流
に変化が生じるものであればよい。また再生に関して
は、必ずしも直流電流を用いる必要はなく、例えば、記
録媒体６０７中の記録部の局所的電気容量変化を高周波
電気信号を用いて検出する方法でもよい。

【００３９】以上のように記録再生を行なう場合や消去
を行なう場合、実際には、周囲の温度変化や、記録媒体
６０７やマルチ探針ユニット６０１のｘｙ方向の歪み、
探針５０３の先端の破損等により、各探針５０３先端の
位置と、各探針５０３に対応する記録媒体６９７上の記
録位置との間に、ｘｙ方向の微小位置ずれが生ずる。ま
た、あるマルチ探針ユニットによって記録された記録媒
体に対して、別のマルチ探針ユニットによって再生を行
なったり、引続き記録を行なったり、消去を行なう場合
にも、探針ユニット毎の公差範囲内の寸法のばらつきに
より同様の微小位置ずれが生ずる。

【００４０】これらの位置ずれについて、図７および図
８を参照して説明する。図７は、各探針の位置に対応し
て、それぞれ円周状のトラックを同心円状に並べた複数
個の記録領域を有する記録媒体の模式的平面図であり、
図８は、各探針の位置に対応して、それぞれ直線状のト
ラックを平行に並べた複数個の記録領域を有する記録媒
体の模式的平面図である。両図中、×印で示すのは探針
先端の位置７０３、８０３である。また、図７に示した
各矢印は、それぞれ探針先端の位置７０３から記録領域
の中心７０４に向かって延びて探針先端の位置７０３と
記録領域の中心７０４とのずれをベクトル的に示すもの
であり、図８に示した各矢印は、それぞれ探針先端の位
置８０３から記録領域の先頭位置８０４に向かって延び
て探針先端の位置８０３と記録領域の先頭位置８０４と
のずれをベクトル的に示すものである。いま、図７にお
いて、同図中左上の記録領域の中心７０４の位置を、そ
の記録領域７０２に対応する探針先端の位置７０３にあ
わせると、他の各記録領域７０２については、記録領域
の中心７０４と探針先端の位置７０３との間に、それぞ
れ矢印で示すような大きさも方向もまちまちのずれが生
じる。この状態のままで、記録・再生・消去を行なった
場合、各探針と、それに対応する記録領域７０２の記録
ビット７０５との間にずれがあるため、全ての探針と記
録領域７０２との間で同時に記録・再生・消去を行なう
ことができない。図８についても同様に、同図中左上の
記録領域の先頭位置８０４と、それに対応する探針先端
の位置８０３とをあわせると、他の探針と、それに対応
する記録領域８０２の記録ビット８０５との間にずれが
生じ、全ての探針で同時に記録・再生・消去を行なうこ
とができない。

【００４１】そこで、図９に示すように、各ｘ方向静電
アクチュエータ電極５０７により、各探針５０３毎にそ
れぞれの探針５０３と記録領域の記録ビット９０５との
間のｘ方向の微小位置ずれを補正する。同図中、補正前
の探針５０３およびマイクロステージ５０１の位置を破
線で示し、補正後の位置を実線で示す。また、ｙ方向の
微小位置ずれについてもｘ方向と同様に、各ｙ方向静電
アクチュエータ電極５０８（図５参照）により、各探針
５０３毎に補正する。これにより、全ての探針の５０３
位置は、それぞれの記録領域の記録ビット９０５の位置
とと一致する。このように、各探針５０３毎に記録領域
との位置ずれについての補正を一度行なえば、温度変化
や歪み、探針５０３の破損、マルチ探針ユニットの交換
等により再度位置ずれを生じるまでは補正を行なう必要
がないので、これらの補正はフィードバック制御を行な
う必要もなく、簡単な回路構成となる。また、補正用の
電気信号帯域も低くすることができるので、信号雑音も
小さく、極めて高精度な位置ずれ補正を行なうことがで
きる。

【００４２】以上の位置ずれ補正の手順について、再び
図６を参照して説明する。予め、記録媒体６０７の各探
針５０３と対向する面の、各探針５０３に対応する記録
領域の所定の部位に、それぞれフォトリソグラフィ法あ
るいは電子ビームの照射等により微小な凹あるいは凸を
設けておき、これを基準位置とする。次いで、記録媒体
６０７に、バイアス電圧印加回路６１５によりバイアス
電圧を印加しつつ、ｘｙ駆動機構６１０によって、マル
チ探針ユニット６０１に対して記録媒体６０７をｘｙ方
向に二次元走査する。そして、記録媒体６０７と各探針
５０３との間に流れるトンネル電流を、ホストコンピュ
ータ６１２からのタイミング信号により第３の切り換え
回路６１８にて切り換えて各探針５０３毎に位置ずれ量
検出回路６１９に出力する。位置ずれ量検出回路６１９
では、探針５０３が前記基準位置上にあるときのトンネ
ル電流の変化に基づいて、記録媒体６０７上の各基準位
置に対する各探針５０３の位置ずれ量を検出する。位置
ずれ量検出回路６１９にて検出された各探針５０３と各
基準位置との位置ずれ情報は、ホストコンピュータ６１
２に送られる。これに基づき、各探針５０３と各基準位
置との位置補正信号がｘｙ微動信号回路６２０に送ら
れ、ホストコンピュータ６１２からのタイミング信号に
より第４の切り換え回路６２１にて切り換え、各ｘ方向
静電アクチュエータ電極５０７（図５参照）あるいはｙ
方向静電アクチュエータ電極５０８（図５参照）に印加
され、各探針５０３の位置補正が行なわれる。

【００４３】以上のように、各探針５０３毎にｘｙ方向
の微小な位置ずれ補正を行なうことにより、マルチ探針
ユニット６０１に対して記録媒体６０７をｘｙ方向に二
次元走査しながら、各探針５０３と各記録領域との間で
同時に記録・再生・消去を行なうことができる。

【００４４】次に、上述した記録再生装置による三次元
変位素子のｚ方向変位の機能について、図１０を参照し
て説明する。

【００４５】図１０に示すように、各探針５０３の長さ
は、それぞれ公差範囲内の寸法のばらつきによりわずか
ずつばらついており、また、マルチ探針ユニット６０１
自体や記録媒体６０７表面にも、わずかではあるがうね
りが存在している。このため、マルチ探針ユニット６０
１と記録媒体６０７とを対向させたとき、各探針５０３
と記録媒体６０７表面との間隔にはばらつきが生じてい
る。各探針５０３がそれぞれ取り付けられているマイク
ロステージ５０１は、複数個の弾性部材１１１、１１
２、１１３、１１４（図１参照）により支持されている
ため、ある探針５０３が記録媒体６０７に接触して力を
受けると、その力に応じて各弾性部材１１１、１１２、
１１３、１１４が弾性変形する。この弾性変形によりマ
イクロステージ５０１は、同図中ｚ軸の正方向に変位
し、探針５０３の先端および記録媒体６０７にある値以
上の力が加わることを防ぎ、結果として、探針５０３の
先端および記録媒体６０７の破損を防ぐことができる。
例えば、各探針５０３と記録媒体６０７表面との間隔の
ばらつきを１μｍ程度とした場合、マイクロステージ５
０１のｚ方向変位に関する弾性定数を０．５〜２Ｎ／ｍ
とすると、探針５０３の先端や記録媒体６０７に加わる
力は５×１０^-7〜２×１０^-6Ｎ以下に抑えられる。以上
のようなｚ方向変位の制御は受動的なものであるため、
特に電気回路を設ける必要もなく、極めて簡単な構成で
すむという利点がある。

【００４６】

【発明の効果】本発明は以上説明したとおり構成されて
いるので、以下に記載する効果を奏する。

【００４７】トンネル電流発生用三次元変位素子が静電
駆動手段を有するので、探針の位置と探針に対向配置さ
れる記録媒体の位置とがずれている場合でも、可動部材
を駆動させて探針の位置を正規の位置に補正することが
できる。また、各弾性部材が、直交する２方向において
対称に配置され、且つ可動部材と支持部材とに接続され
ているので、可動部材が記録媒体との距離方向に変位す
る際に探針が傾かなくなるとともに、探針を記録媒体に
接触させた状態で走査する場合においては、可動部材に
はねじれが生じにくくなり、記録媒体との位置ずれも発
生しにくくなる。さらに、本発明のトンネル電流発生用
三次元変位素子を情報処理装置に用いることにより、情
報の記録、再生、消去の高速化が図られる。

【００４８】

【００４９】

【００５０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のトンネル電流発生用三次元変位素子の
第１実施例の概略平面図である。

【図２】図１に示したトンネル電流発生用三次元変位素
子のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】本発明のトンネル電流発生用三次元変位素子の
第２実施例の概略平面図である。

【図４】図３に示したトンネル電流発生用三次元変位素
子のＢ−Ｂ線断面図である。

【図５】本発明のマルチ探針ユニットの一実施例の概略
構成図である。

【図６】図５に示したマルチ探針ユニットを用いた記録
再生装置の概略構成図である。

【図７】各探針の位置に対応して、それぞれ円周状のト
ラックを同心円状に並べた複数個の記録領域を有する記
録媒体の模式的平面図である。

【図８】各探針の位置に対応して、それぞれ直線状のト
ラックを平行に並べた複数個の記録領域を有する記録媒
体の模式的平面図である。

【図９】図６に示した記録再生装置での、探針と記録ビ
ットとのｘｙ方向のずれの補正を説明するための図であ
る。

【図１０】図６に示した記録再生装置での、各探針と記
録媒体との間隔の制御機構を説明するための図である。

【符号の説明】

１００、３００ フレーム １０１、３０１、５０１ マイクロステージ １０２、３０２ 中空部 １０３、３０３、５０３ 探針 １０４、３０４ Ｓｉ基板 １０５、３０５ Ｓｉ₃Ｎ₄膜 １０６、３０６、５０６ グラウンド電極 １０７、３０７、５０７ ｘ方向静電アクチュエータ
電極 １０８、３０８、５０８ ｙ方向静電アクチュエータ
電極 １１１ 第１の弾性部材 １１２ 第２の弾性部材 １１３ 第３の弾性部材 １１４ 第４の弾性部材 １３１、３３１、５３１ 第１の配線 １３２、３３２ 第２の配線 １３３、３３３ 第３の配線 １３４、３３４、５３４ 第４の配線 １３５、３３５、５３５ 第５の配線 ３０９、３１０ 中間部材 ３１１ ｘ方向変位用弾性部材 ３１２ ｙ方向変位用弾性部材 ３１３ 中間部材連結用弾性部材 ５５１ 記録再生用回路 ５５２ ｘ方向位置ずれ補正回路 ５５３ ｙ方向位置ずれ補正回路 ６０１ マルチ探針ユニット ６０６ 基板 ６０７ 記録媒体 ６０８ ｘｙ駆動機構 ６０９ ｚ駆動機構 ６１０ ｘｙ駆動回路 ６１１ ｚ駆動回路 ６１２ ホストコンピュータ ６１３ 記録信号回路 ６１４ 第１の切り換え回路 ６１５ バイアス電圧印加回路 ６１６ 第２の切り換え回路 ６１７ 再生信号回路 ６１８ 第３の切り換え回路 ６１９ 位置ずれ量検出回路 ６２０ ｘｙ微動信号回路 ６２１ 第４の切り換え回路 ７０１、８０１ トラック ７０２、８０２ 記録領域 ７０３、８０３ 探針先端の位置 ７０４ 記録領域の中心 ７０５、８０５ 記録ビット ８０４ 記録領域の先頭位置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 酒井 邦裕 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 畑中 勝則 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 (56)参考文献 特開 平４−162229（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−205828（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−173957（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−50333（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−49087（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−147804（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−38904（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−296604（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G11B 9/14 B81B 3/00 G01N 13/12 G12B 21/20

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 探針が設けられた可動部材と、前記可動部材を支持する支持部材と、 前記可動部材を三次元方向で可動に支持するための、直
   交する２方向において対称に配置され、且つ前記可動部
   材と前記支持部材とに接続された複数の弾性部材と、 前記可動部材を少なくとも直交する２方向に移動させる
   ための静電駆動手段とを有することを特徴とするトンネ
   ル電流発生用三次元変位素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のトンネル電流発生用三
   次元変位素子が同一平面上に複数個配置されていること
   を特徴とするマルチ探針ユニット。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のトンネル電流発生用三
   次元変位素子を用いて、トンネル電流を検出することに
   より記録媒体上の情報を記録及び再生する情報処理装
   置。