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JP3060137B2 - カンチレバー型プローブの作製方法 - Google Patents

カンチレバー型プローブの作製方法

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JP3060137B2
JP3060137B2 JP35172491A JP35172491A JP3060137B2 JP 3060137 B2 JP3060137 B2 JP 3060137B2 JP 35172491 A JP35172491 A JP 35172491A JP 35172491 A JP35172491 A JP 35172491A JP 3060137 B2 JP3060137 B2 JP 3060137B2
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cantilever
recording
electrode
thin film
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修 高松
優 中山
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有二 笠貫
敬介 山本
康弘 島田
義勇 鈴木
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Canon Inc
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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
（以後、ＳＴＭと称する。）、及びその手法により情報
の記録及び再生等を行うカンチレバー型プローブ及びそ
れを用いたＳＴＭ、記録装置、再生装置、記録再生装置
を含めた情報処理装置、情報処理方法に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】現在、ＳＴＭの手法を用いて、半導体あ
るいは高分子材料等の原子オーダー、分子オーダーの観
察評価、微細加工（Ｅ．Ｅ．Ｅｈｒｉｃｈｓ，Ｐｒｏｃ
ｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ４ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏ
ｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ
Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ／ｓｐｅ
ｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，’８９，Ｓ１３−３）、及び記録
装置等の様々な分野への応用が研究されている。
【０００３】なかでも、コンピューターの計算情報や映
像情報等では大容量を有する記録装置の要求が益々高ま
っており、さらに、半導体プロセス技術の進展によりマ
イクロプロセッサが小型化し、計算能力が向上したこと
から記録装置の小型化が望まれている。
【０００４】これらの要求を満たす目的で、米国特許第
４，８２９，５０７号は、キャリアを有する記録媒体及
びキャリアの表面に原子粒子のパターンを形成するため
の手段を有する、原子スケール密度を持つ情報処理（記
録再生）装置を提案している。
【０００５】かかる装置においては、試料を探針で数ｎ
ｍ〜数μｍの範囲で走査する必要があり、その際の移動
機構として圧電体素子が用いられる。この例としては、
３本の圧電体素子をｘ、ｙ、ｚ方向に沿って互いに直交
するように組み合わせ、その交点に探針を配置したトラ
イポッド型や、円筒型の圧電体素子の外周面の電極を分
割して一端を固定し、他端に探針を取り付け、各々の分
割電極に対応させて円筒を変形させて走査する円筒型な
どのタイプがある。
【０００６】さらに最近では、半導体加工技術を利用し
たマイクロマシーニング技術（Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｏ
ｎ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｖｏｌ．ＥＤ−２５，Ｎｏ．１０，Ｐ
１２４１，１９７８）を用いて、探針駆動機構を微細に
形成する試みがなされている。図３１はマイクロマシー
ニング技術により、Ｓｉ基板上に圧電体バイモルフから
なるカンチレバーを形成した例である（Ｔ．Ｒ．Ａｌｂ
ｒｅｃｈｔ，“Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏ
ｆ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎ
ｎｅｌｉｎｇＭｉｃｒｏｃｓｃｏｐｅ”，Ｐｒｏｃｅｅ
ｄｉｎｇｓ ｏｆ ４ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ
ｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｅ ｏｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔ
ｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ／Ｓｐｅｃｔ
ｒｏｓｃｏｐｙ，’８９，Ｓ１０−２）。図３２は、図
３１に示すカンチレバーの横断面図である。
【０００７】図３１は、Ｓｉ基板１上に２分割電極７４
ａ、７４ｂ−ＺｎＯ圧電体７５−中電極７３−ＺｎＯ圧
電体７５’−２分割電極７２ａ、７２ｂと積層したカン
チレバーを作り、その下のＳｉ基板の一部を異方性エッ
チングにより除去してＳｉ基板の端部から片持ちで支持
されるように形成されている。上記圧電体バイモルフか
らなるカンチレバーの先端には金属の探針（プローブ）
７７が接着などにより取り付けられ、引き出し電極７６
を介してトンネル電流を検知する。その際、カンチレバ
ーの上側の２分割電極７２ａ，７２ｂと中間電極７３の
間にはさまれる２つの圧電体領域と下側の２分割電極７
４ａ，７４ｂとの間にはさまれた２つの圧電体領域の各
々にかける電圧を制御することによりカンチレバーを３
次元方向に動かすことができる。
【０００８】図３３（ａ）〜（ｃ）には、２分割電極に
より分割された４つの圧電体領域の内、電圧を印加する
領域の組み合わせを変えて駆動した時の従来のカンチレ
バーの３次元的な動きを示している。
【０００９】図３３（ａ）は、４つの領域が同時に縮む
ように同相の電圧を印加したときで、探針７７は図３１
のＹ方向に移動する。また図３３（ｂ）は右側の上下２
つの領域が伸び、左側の上下２つの領域が縮んだ場合で
探針７７は図３１のＸ方向へ移動可能である。さらに図
３３（ｃ）は上側の左右の領域が縮み、下側の左右の領
域が伸び、探針７７は図３１のＺ方向に移動することが
できる。
【００１０】マイクロマシーニング技術により形成され
る従来のカンチレバー型プローブの作製プロセスフロー
の概略を図３４（ａ）〜（ｄ）に示す。Ｓｉ（１００）
基板１の両面にＳｉを異方性エッチングする時のマスク
層７９を形成する。異方性エッチングは、例えば、“Ｐ
ＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ ＯＦ ＴＨＥ ＩＥＥＥ”（Ｖ
ｏｌ．７０，Ｎｏ．５，１９８２年５月発行）に記載さ
れている。次に、第２の主面のマスク層にフォトリソグ
ラフィ技術により異方性エッチングのための開口部を設
けておく（図３４（ａ））。フォトリソグラフィ技術
は、例えば、“総合エレクトロニクス”（７８頁〜８１
頁、１９８３年７月発行、コロナ社）に記載されてい
る。次に基板１の第１の主面に電極となる電気伝導体層
を形成し、フォトリソグラフィ技術によりパターン形成
し、電極７４を作製する。電極７４上に圧電体７５を形
成し、パターン形成する。以下同様にして電極７３、圧
電体７５、電極７２を形成する（図３４（ｂ））。次
に、Ｓｉ基板１の第２の主面から、異方性エッチングに
より、カンチレバー状パターンの下部を除去することに
よりカンチレバーを形成する（図３４（ｃ））。このよ
うにして作製したカンチレバーの一端にＰｔ，Ｒｈ，Ｗ
等の金属片を接着して探針７７を形成し、カンチレバー
型プローブを作製する（図３４（ｄ））。
【００１１】このようなマイクロマシーニング技術によ
り形成されるカンチレバー型プローブは微細にでき、記
録再生装置の情報の書き込み、読み出しの速度を向上さ
せるのに要求されるプローブの複数個を容易にすること
が可能となる。
【００１２】しかしながら、かかる装置においては電極
及び圧電体の薄膜の積層を行うため、各々の層の厚み及
び応力を十分に制御しなければならない。というのもＳ
ｉ基板をエッチングし、作製するカンチレバーは各々の
層の膜厚、応力に依存して反りが発生する。
【００１３】図３１及び図３２に示すカンチレバーの長
尺方向の反りΔは以下の数１に比例している。ここで電
極７４，圧電体７５，電極７３，圧電体７５’、電極７
２の膜厚をｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５、応力をσ
１，σ２，σ３，σ４，σ５とする。
【００１４】
【数１】 カンチレバーの反りの発生する原因として、各々の薄膜
の膜厚ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４の誤差、膜の内部応力の
膜厚方向依存性（ｔ２＝ｔ４の時σ２≠σ４）、積層時
の基板の材質及び表面粗度、積層することによる基板の
熱膨張係数の変化等が考えられる。上記理由により発生
するカンチレバーの反りは、探針と媒体との適切な位置
関係を阻害し、トンネル電流の生じるに必要な間隔を保
つことを困難にする。とりわけ、複数個のプローブを有
する場合は、上記問題点は切実であり、各々のカンチレ
バーを各々の適切な位置に設定できなければマイクロマ
シーニング技術によりカンチレバー型プローブを作製す
る利点が損われてしまう。
【００１５】更に、従来例ではＳｉ基板エッチングを裏
面から２回に分けて行うための次の様な欠点があった。
【００１６】最初の異方性エッチングの際、エッチレー
トやＳｉウェハー厚の各ばらつきのためＳｉメンブレン
の厚さや大きさがばらつくので、メンブレンのプラズマ
エッチングの際のばらつき等も重なりカンチレバーの大
きさがばらつくため、駆動電圧当りの変位量がばらつ
く。特に複数のカンチレバーを同一基板上に形成する際
にその変位の制御が非常に困難なものとなる。
【００１７】又、カンチレバーの圧電層の側面が剥き出
しになっているため、空気中の水分や好ましくない物質
の汚染によって圧電層の劣化を招きカンチレバーの変位
特性が悪化する事になる。
【００１８】さらに、異方性エッチングを裏面から行う
ため両面アライメントやエッチングの精度を上げるため
に、基板を両面研磨したものを使う必要がある。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】以上のような従来例の
問題点に鑑み、本発明の目的は、 ．探針（プローブ）と媒体との適切な位置関係を保つ
に十分なカンチレバーの反りを除去する、 ．観察速度、情報の転送速度、及び記録・再生速度の
向上を図る、 を同時に満足し得るカンチレバー型プローブ及びその製
造方法を提供することにある。
【００２０】さらに、本発明の目的は、上記カンチレバ
ー型プローブを用いたＳＴＭ、記録装置、再生装置、記
録再生装置を含めた情報処理装置、情報処理方法を提供
することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】本発明は、第１に、１層
又は複数層の圧電体薄膜の界面及び上下面に圧電体薄膜
を変位させるための駆動用電極を設け、更にプローブ用
の引き出し電極を有するカンチレバー状の変位素子と、
該変位素子の自由端部に形成された情報入出力用プロー
ブとを備えたカンチレバー型プローブの作製方法におい
て、反りを有するカンチレバー状の変位素子の形成後
に、前記変位素子の少なくとも上面部分又は下面部分
に、変位素子の反りが一定値以下となるように膜厚を調
整しながら非電気伝導体薄膜を形成することを特徴とす
るカンチレバー型プローブの作製方法である。
【００２２】本発明は、第２に、１層又は複数層の圧電
体薄膜の界面及び上下面に圧電体薄膜を変位させるため
の駆動用電極を設け、更にプローブ用の引き出し電極を
有するカンチレバー状の変位素子と、該変位素子の自由
端部に形成された情報入出力用プローブとを備えたカン
チレバー型プローブの作製方法において、前記変位素子
の少なくとも上面部分又は下面部分に非電気伝導体薄膜
を形成し、反りを有するカンチレバー状の変位素子を形
成した後に、前記変位素子の反りが一定値以下となる膜
厚まで前記非電気伝導体薄膜をエッチングすることを特
徴とするカンチレバー型プローブの作製方法である。
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【実施例】以下、典型的かつ好ましい実施例を挙げ、本
発明を具体的に詳述する。
【００２８】参考例１ 図１は本発明によるカンチレバー型プローブの概略図で
ある。
【００２９】図１におけるカンチレバー型プローブは、
シリコン基板１、カンチレバー形成のためのマスクとな
るシリコンナイトライド膜２、圧電体層４，４を駆動す
るための電極層３，３，３、及び保護層５を有してい
る。６はトンネル電流を検知するためのプローブで保護
層５の上に形成されている。図中でも明確な様に、劣化
しやすい圧電体層４，４をマスク材のナイトライド膜２
と保護層５で覆っている。
【００３０】このカンチレバーの形成工程を、図２〜図
５に示すフローに従って説明する。
【００３１】結晶方位（１００）のシリコン基板１の両
面にＬＰＣＶＤによってシリコンナイトライド膜２を１
５００Å成膜し、カンチレバー作製のための開口部７を
図３の様なパターンでＣＦ4 を用いプラズマ法でエッチ
ングすると図２を得る。
【００３２】次に、ナイトライド膜２上に電極層３を２
０００Å成膜しパターニングし、電極層３上に圧電層４
を１μｍ成膜する。このプロセスを繰り返し、２層分の
圧電層４，４をパターニングすると図４を得る。電極材
としてはＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔ等を用いるとよい。又、圧電
層４の圧電材としてはＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｐｚｔを用いる
とよい。電極材のエッチングの際、圧電材との選択比が
とれない場合はリフトオフ法で成膜すればよい。次に保
護層５としてプラズマＣＶＤ法により２００℃に加熱し
シリコンナイトライド膜を５０００Å成膜パターニング
すれば図５を得る。
【００３３】次にトンネル電流を検知するプローブ６と
引出し電極を作製する。最後に異方性エッチング液（例
えばＫＯＨ、ＮＨ3 ＯＨ、エチレンジアミン・ピテカテ
コール系の水溶液）に浸漬する事によって、図１に示す
様なカンチレバーが形成される。
【００３４】カンチレバーの大きさとして例えば長さが
３００μｍ，幅が４０μｍの大きさに設定すると、カン
チレバーの膜の厚さ方向の変位は駆動電圧±５Ｖで±１
μｍ以上となり、十分にＳＴＭ法を用いた記録再生装置
のプローブとして使える。
【００３５】以上の様な方法で作製されたカンチレバー
はばらつきが改善されるため、複数のカンチレバーを同
一基板上に形成する際にその変位の制御性が向上しマル
チプローブの記録再生装置が可能となる。参考例２ 保護膜としてシリコンナイトライド膜を用いる事は、本
発明の主旨から有意な側面がある反面、内部応力が大き
いためカンチレバーのソリに与える影響は無視出来な
い。一方、シリコン酸化膜は、保護膜としての特性を失
わずに内部応力の小さな絶縁体として有用である。
【００３６】シリコン酸化膜を用いた場合のカンチレバ
ー形成工程を図６〜図９に沿って説明する。
【００３７】結晶方位（１００）のシリコン基板１の両
面に熱酸化膜９を１０００Å成膜し、さらにＬＰＣＶＤ
によってシリコンナイトライド膜２を１５００Å成膜し
図６を得る。
【００３８】次に裏面からＳｉ基板１をエッチングする
ためのパターニングを行う。シリコンナイトライド膜２
と熱酸化膜９を除去し、ＫＯＨ溶液等に浸漬し裏面から
シリコン基板１を除去し、シリコンを３０μｍ残しメン
ブレン状態にし図７を得る。次にシリコンナイトライド
膜を１５０℃リン酸に４０分浸漬して除去し図８とな
る。
【００３９】次に参考例１と同じく、圧電体層、電極層
を交互に成膜パターニングし、保護膜層１０としてＣＶ
Ｄ法あるいはスパッター法によりシリコン酸化膜を４０
００Å成膜パターニングする。そして、プローブ６を作
製しさらにＫＯＨ溶液等に浸漬しメンブレンを除去する
と、図９の様なカンチレバーを得る。
【００４０】保護膜層としてシリコン酸化膜を用いた場
合はＫＯＨ溶液に対してエッチングレートが６０Å／分
と速いため、表面からシリコンをエッチングする方法に
は向かない。従って、シリコンナイトライド膜を用いた
方法に比べカンチレバーサイズのばらつきでは劣るが、
十分圧電体、電極材に対する外部環境から保護する。さ
らに、シリコンナイトライド膜に比べ内部応力が小さい
という点から反りのばらつきが小さくなるという別の利
点を有するため、マルチプローブの際は有効な手段とな
る。参考例３ 図１０は、本発明のカンチレバー型プローブを用いた記
録再生装置の概略図である。図中、シリコン基板１０１
には、本発明のカンチレバー型プローブ１０２が複数設
けられている。粗動用圧電素子１０５は、シリコン基板
をＺ方向に駆動するものである。１０３は板状の記録媒
体であり、１０４は探針駆動機構の走査可能領域で決ま
る記録エリアを一列に並べたデータ列である。記録媒体
１０３は、図示せぬ移動機構により、図中矢印の方向に
並進移動され、記録エリアは列状に記録される。
【００４１】カンチレバー型プローブ１０２と粗動用圧
電素子１０５は、図示せぬリニアモータなどの移動機構
によりデータ列と直交する方向に移動可能なように構成
され、任意のデータ列にアクセスし、データの記録再生
を行なうことができる。その際、目標とするデータ列ま
でのアクセスは、リニアエンコーダーなどの位置検出装
置により行なわれ、その後、カンチレバー型プローブ１
０２の各々の探針は、目標のデータ列の各々の記録エリ
ア内を走査する。
【００４２】記録媒体１０３は電気メモリー効果を持つ
薄膜、例えば、（ｉ）π電子系有機化合物やカルコゲン
化物類からなる記録層と（ｉｉ）導電性のある基板から
なる。探針と導電性基板間にあるしきい値以上の電圧を
印加することにより、探針直下の記録層に微小な領域で
特性変化を生じさせ記録を行うことができる。また、再
生は、探針と記録層間に流れるトンネル電流が、記録部
と非記録部とで変化することにより行なう。
【００４３】また記録媒体１０３として、あるしきい値
以上の電圧を印加すると表面が局所的に溶融または蒸発
して、表面形状が凹または凸に変化する材料、例えば、
Ａｕ，Ｐｔなどの金属薄膜を用いてもよい。
【００４４】次に、記録再生の方法を説明する。
【００４５】まず、記録方法は、Ｚ方向粗動用駆動回路
１１１によって駆動するＺ方向粗動用圧電素子１０５と
カンチレバー型プローブ１０２を移動機構により、記録
位置に移動し、記録媒体１０３のあるしきい値を越える
電圧を印加することにより行なう。その際、記録媒体１
０３には、バイアス回路１０６によりバイアス電圧が加
えられ、プローブは記録媒体１０３に対してトンネル電
流が流れる距離に保たれている。その接近は、Ｚ方向粗
動用圧電素子１０５により、近傍まで近づけ、後は、複
数あるカンチレバー型プローブ１０２で各々のプローブ
ごとにトンネル領域に引き込まれる。その引込みは、各
プローブに対応したトンネル電流検出回路１０７により
検出されたトンネル電流を各々のカンチレバー型プロー
ブ１０２のＺ方向サーボ回路１１０を通してフィードバ
ックすることにより、各プローブと記録媒体間を一定距
離に制御している。そのとき、Ｚ方向サーボ回路１１０
にはローパスフィルターが設けられ、そのカットオフ周
波数はデータ信号には追従せず、記録媒体の面振れ、表
面のうねりに追従できるように選ばれ、プローブと記録
媒体の平均距離が一定となるように制御される。
【００４６】記録時には、制御回路１１２から記録信号
がパルス印加回路１０８に送られ、各プローブにパルス
電圧として印加され、記録が行なわれる。
【００４７】その際、パルス印加によりプローブと記録
媒体の距離が変化しないようにＺ方向サーボ回路１１０
には、ホールド回路を設けて、パルス電圧が印加されて
いるカンチレバー型プローブ１０２の駆動電圧を保持す
る。
【００４８】そのとき、データ列の記録エリア内には図
の拡大図のように記録ビットがマトリクス状に記録され
る。各々の記録ビット列には、アドレス情報が挿入され
ており、再生時のデータの識別を行なう。
【００４９】一方、再生方法は、プローブが、移動機構
により所望のデータ列の記録エリア上に移動し、記録媒
体１０３の表面との間のトンネル電流の記録部と非記録
部の変化分を検出することにより行なう。そのときカン
チレバー型プローブ１０２はＸＹ位置制御回路１０９に
より制御され、プローブが記録エリアの全域を走査する
ように駆動される。１つの記録エリア内の再生信号は、
トンネル電流検出回路１０７を通し、制御回路１１２で
信号処理して一時的に記憶され、その中から所望のデー
タのみが再生出力される。
【００５０】このような記録再生装置においてカンチレ
バー型プローブを前記参考例のような構成とすることに
より、１つのプローブで走査できる領域が広がり、１つ
の記録エリアが大きくなり、全体として記録密度を上げ
ることができる。
【００５１】実施例１ 図１１及び図１２に、本発明のカンチレバー型プローブ
の一例として、圧電体薄膜１５，１５’と、圧電体を変
位させるためのバイアス電圧を印加する電極１２，１
３，１４（計６ケ）と、カンチレバーの反りを除去する
ための非電気伝導体薄膜１８とから構成された変位素子
の詳細を示す。
【００５２】図１１は、はり方向の構成図であり、図１
２は図１１中のＡ−Ａ’における幅方向の断面図であ
る。図１２において、電極１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１
３ｂ，１４ａ及び１４ｂは圧電体を駆動するものであ
る。探針１７用の引き出し電極１６も設けられている。
【００５３】本発明のカンチレバー型プローブの作製プ
ロセスフローの概略を図１３（ａ）〜（ｅ）に示す。
【００５４】Ｓｉ（１００）基板１の第２の主面に異方
性エッチングの際のエッチングパターンを決定するマス
ク層１９を形成し、フォトリソグラフィ技術により開口
部を設けておく（図１３（ａ））。次に、第１の主面に
電極となる電気伝導体層を形成し、フォトリソグラフィ
技術によりパターンを形成し、電極１４を作製する。電
極１４上に圧電体１５’を形成しパターニングし、同様
に電極１３、圧電体１５、電極１２を形成しパターニン
グを行う（図１３（ｂ））。このようにして作製したカ
ンチレバー状のパターンの一端にＰｔ、Ｒｈ、Ｗ等の金
属片を接着してプローブ１７を形成する（図１３
（ｃ））。次に、Ｓｉ基板１の第２の主面から、異方性
エッチングにより、カンチレバー状パターンの下部を除
去することによりカンチレバー型プローブを形成する
（図１３（ｄ））。最後に第２の主面より電極１４へ非
電気伝導体薄膜１８を形成することにより、本発明のカ
ンチレバー型プローブが形成される（図１３（ｅ））。
【００５５】ここで非電気伝導体として要求される特性
は、駆動用電極が圧電体にバイアス電圧を印加するに際
して、リーク電流等の電気的な阻害をしない絶縁性を有
することである。
【００５６】具体的な例として、圧電体薄膜、電極、及
びカンチレバーを以下の様に設定すると、 圧電体薄膜：ＺｎＯ ０．３μｍ厚 電極：Ａｕ ０．１μｍ厚 カンチレバー長：３００μｍ カンチレバー幅：１５０μｍ 非電気伝導体薄膜１８が存在しない場合には、カンチレ
バーの反りはＳｉ基板１の第１の主面に対してカンチレ
バー先端部が２０μｍ上方向に反った。これに対し、図
１３（ｅ）に示す様に第２の主面よりプラズマＣＶＤ法
によりアモルファスシリコン窒化膜を１０００Å成膜す
ると、カンチレバーの反りは１μｍ以下に押えることが
可能となった。ここで、圧電体薄膜は、ＺｎＯのスパッ
タ用ターゲットを用いて反応性スパッタ法により、アル
ゴン及び酸素の混合雰囲気中にて、基板温度２００℃、
ガス圧力１０ｍＴｏｒｒで成膜した。電極となるＡｕ
は、真空抵抗加熱蒸着法により成膜した。かかる蒸着法
は、「総合エレクトロニクス」（１１４頁〜１１６頁、
１９８３年７月発行、コロナ社）に記載されている。非
電気伝導体となるアモルファスシリコン窒化膜は、シラ
ンとアンモニアの混合ガス１対１．５の比率の雰囲気中
で、基板温度２００℃、ガス圧力０．５Ｔｏｒｒにて成
膜した。
【００５７】次に、上記プロセスにより作製した図１１
に示す本発明のカンチレバー型プローブの変位のための
バイアス電圧印加方法の一例を図１４及び図１５に示
す。
【００５８】図１４は、図１１に示すカンチレバー型プ
ローブのＡ−Ａ’における幅方向の断面図であり、ここ
では、プローブと観察又は情報の記録等が行われる媒体
との間隔を調整しつつ、プローブ１７がトラック上を振
動できる様に圧電体薄膜１５，１５’を伸縮させるた
め、圧電体駆動用の電極１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３
ｂ，１４ａ，１４ｂを梁の幅方向に分割して２組並べて
配置する。これらの電極１２ａ〜１４ｂは、駆動バイア
ス回路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに配線されており、さらに駆動制
御回路３６により駆動バイアス回路のバイアス電圧が制
御されることとなる。
【００５９】図１６のプローブの走査経路に対するバイ
アス電圧Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの時間依存の概略を図１５に示
す。ｚ軸方向のプローブ１７と媒体との間隔はＡ（ｔ）
−Ｂ（ｔ）あるいはＤ（ｔ）−Ｃ（ｔ）で与えられるバ
イアス電圧により調整される。また、Ａ（ｔ）、Ｂ
（ｔ）、Ｃ（ｔ）、Ｄ（ｔ）の周波数はプローブ１７の
図１７の振動波形の周波数に一致している。Ａ（ｔ）と
Ｃ（ｔ）の位相と、Ｂ（ｔ）とＤ（ｔ）の位相とは、１
８０°ずらすこととなる。プローブ１７を振動させる際
の振幅の幅はＢ（ｔ）−Ｄ（ｔ）のバイアス電圧により
調整される。例えば、ビット径を５０Åにした場合、図
１３のプロセスにて作製したカンチレバー型プローブの
ｚ軸方向の変位量は±５Ｖで±２μｍ変位可能であり、
すなわちバイアス電圧Ａ（ｔ）−Ｂ（ｔ）及びＤ（ｔ）
−Ｃ（ｔ）を５Ｖ以下で適当に設定することで−２μｍ
から＋２μｍの範囲でプローブと媒体の間隔を変位させ
ることが可能である。またＢ（ｔ）−Ｄ（ｔ）のバイア
ス電圧を絶対値１．９Ｖ変化させることでビット径の５
０Å幅の振動を行うことができる様になる。
【００６０】実施例２ 図１８（ａ）〜（ｅ）は、カンチレバー型プローブの別
の作製プロセスフローの概略である。
【００６１】Ｓｉ（１００）基板１の両面に異方性エッ
チングの際のエッチングパターンを決定する非電気伝導
体薄膜１８からなるマスク層を形成し、フォトリソグラ
フィ技術により基板１の第２の主面に開口部を設けてお
く（図１８（ａ））。次に、基板１の第１の主面マスク
層１８をパターニングした後に、実施例１と同様に電極
となる電気伝導体層及び圧電体を順次形成、パターニン
グする（図１８（ｂ））。このようにして作製したカン
チレバー状のパターンの一端にプローブ１７を形成する
（図１８（ｃ））。次に、Ｓｉ基板１の第２の主面か
ら、異方性エッチングにより、カンチレバー状パターン
の下部を除去することによりカンチレバー型プローブを
形成する（図１８（ｄ））。最後に、基板１の第２の主
面のマスク層であるところの非電気伝導体薄膜１８をカ
ンチレバーの反りがなくなるまでエッチングし薄膜化す
ることにより、本発明のカンチレバー型プローブが形成
される（図１８（ｅ））。
【００６２】具体的な例として、圧電体薄膜、電極及び
カンチレバーを以下の様に設定すると、 圧電体薄膜：Ａ１Ｎ ０．３μｍ厚 電極：Ａｌ ０．１μｍ厚 マスク：シリコン酸化膜 ０．５μｍ厚 カンチレバー長：３００μｍ カンチレバー幅：１５０μｍ 非電気伝導体薄膜１８をエッチングしない場合には、カ
ンチレバーの反りはＳｉ基板１の第１の主面に対してカ
ンチレバー先端部が５０μｍ下方向に反った。これに対
し、図１８（ｅ）に示す様に第２の主面より反応性プラ
ズマエッチング法によりシリコン酸化膜を１５００Åに
なるまでエッチングすると、カンチレバーの反りは１μ
ｍ以下に押えることが可能となった。
【００６３】ここで、圧電体薄膜は、Ａ１のスパッタ用
ターゲットを用いて反応性スパッタ法により、アルゴン
及び窒素の混合雰囲気中にて、基板温度を８０℃、ガス
圧力５ｍＴｏｒｒで成膜した。電極となるＡｕは、真空
抵抗加熱蒸着法により成膜した。マスク層として用いた
シリコン酸化膜は、Ｓｉ基板を水蒸気と酸素の混合雰囲
気中で１１００℃に加熱し、熱酸化することにより形成
した。シリコン酸化膜のエッチング用ガスとしてＣＦ4
を用い、１０ｍＴｏｒｒの圧力にてドライエッチングを
行った。
【００６４】図１４に示す変位のためのバイアス電圧印
加方法により上記カンチレバー型プローブを駆動した。
ビット径５０Åにした場合、図１８のプロセスにて作製
したカンチレバー型プローブのｚ軸方向の変位量は±１
０Ｖで±２μｍ変位可能であり、すなわちバイアス電圧
Ａ（ｔ）−Ｂ（ｔ）及びＢ（ｔ）−Ｃ（ｔ）を１０Ｖ以
下で適当に設定することで−２μｍから＋２μｍの範囲
でプローブと媒体の間隔を変化させることが可能であ
る。またＢ（ｔ）−Ｄ（ｔ）のバイアス電圧を絶対値４
Ｖ変化させることでビット径の５０Å幅の振動を行うこ
とができる様になった。
【００６５】以上のような層構成により、トラッキング
を行いつつプローブと媒体との間隔調整を行うことが可
能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。
【００６６】上述の実施例１及び２で用いた圧電体薄膜
１５，１５’用材料はＺｎＯ及びＡ１Ｎであるが、これ
に限らず、その他、ＴｉＢａＯ、ＰｂＺｒＴｉＯ、Ｐｂ
ＴｉＯ等の圧電効果を有する材料を用いても良い。
【００６７】また、非電気伝導体薄膜として、シリコン
酸化膜、アモルファスシリコン窒化膜を用いたが、これ
に限らず、その他、アルミナ、ジルコニア、チタニア等
の酸化物；窒化チタン、ＢＮ、シリコン窒化物等の窒化
物；ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｃ等の炭化物；ＺｒＢ2 、ＨｆＢ
2 等のホウ化物、あるいはフッ化物、イオウ化物等の非
電気伝導体の性質を有する材料であれば良い。
【００６８】参考例４ 次に本発明のカンチレバー型プローブを用いた情報処理
装置の第１の態様である走査型トンネル顕微鏡（ＳＴ
Ｍ）の説明を行う。
【００６９】図１９は、本発明の走査型トンネル顕微鏡
の概略図である。
【００７０】図１９において、２０１は本発明のカンチ
レバー型プローブ２０２を形成したシリコン基板、２０
５はシリコン基板２０１をＺ方向に駆動する粗動用圧電
素子、２１５は粗動用電圧素子２０５及びカンチレバー
型プローブ２０２を試料表面に接近させる接近機構、２
０３は表面観察する導電性の試料で、２０４は試料２０
３をＸＹ方向に微動するＸＹ微動機構である。
【００７１】本発明の走査型トンネル顕微鏡の動作を以
下に説明する。
【００７２】接近機構２１５は、Ｚ方向の移動ステージ
からなり、手動又はモーターにより、カンチレバー型プ
ローブ２０２のプローブが試料２０３の表面に粗動用圧
電素子２０５のストローク内に入るように接近させる。
【００７３】その際、顕微鏡等を用いて、目視により接
近の程度をモニターするか、もしくはカンチレバー型プ
ローブ２０２にサーボをかけた状態でモーターにより自
動送りを行い、プローブと試料間にトンネル電流が流れ
るのを検出した時点で接近を停止する。
【００７４】試料２０３の観察時には、バイアス回路２
０６によりバイアス電圧をかけられた試料２０３とプロ
ーブ間に流れるトンネル電流をトンネル電流検出回路２
０７により検出し、Ｚ方向サーボ回路２１０を通してプ
ローブと試料表面の平均距離が一定となるようにカンチ
レバー型プローブ２０２をＺ方向に制御している。
【００７５】その状態でカンチレバー型プローブ２０２
をＸＹ位置制御回路２０９でＸＹ方向に走査することに
より試料表面の微小な凹凸により変化したトンネル電流
が検出され、それを制御回路２１２に取り込み、ＸＹ走
査信号に同期して処理すればコンスタントハイトモード
のＳＴＭ像が得られる。
【００７６】ＳＴＭ像が、画像処理、例えば２次元ＦＦ
Ｔ等の処理をしてディスプレイ２１４に表示される。
【００７７】その際、カンチレバー型プローブ２０２の
Ｚ方向のストロークが小さいので、装置の温度ドリフ
ト、試料２０３の表面の凹凸及び傾きが大きいと追従で
きなくなるため、粗動用圧電素子２０５を用いてトンネ
ル電流検出回路２０７の信号をＺ方向に粗動駆動回路２
１１を通して、０．０１〜０．１Ｈｚ程度の帯域のフィ
ードバックを行い、Ｚ方向の大きな動きに追従するよう
に制御している。
【００７８】また観察場所を変えるときは、試料側のＸ
Ｙ微動機構２０４をＸＹ微動駆動回路２１３によりＸＹ
方向に移動させ、所望の領域にプローブがくるようにし
て観察を行う。
【００７９】本発明の走査型トンネル顕微鏡を用いるこ
とにより、試料観察を正確にしかも安定して行うことが
可能になった。
【００８０】参考例５ 本参考例では、情報処理装置の第２の態様である記録再
生装置について述べる。
【００８１】図２０に本発明の記録再生装置の主要部構
成及びブロック図を示す。
【００８２】記録再生ヘッド３００上には、本発明にか
かるカンチレバー型プローブが配置されている（図２０
ではこれらのうちの１つのみ示してあるが図２１にその
詳細を示す）。これらの複数のプローブ３１１は、一様
に媒体３２１と対向するように設置してある。３２１は
情報記録用の記録媒体、３２２は媒体とプローブとの間
に電圧を印加するための下地電極、３２３は記録媒体ホ
ルダーである。記録媒体３２１は、トンネル電流発生用
のプローブ３１１から発生するトンネル電流により記録
媒体表面の形状を凸型または凹型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し電気的メモリー効果を有
する有機薄膜等よりなる。前記電気特性が変化する有機
薄膜としては、特開昭６３−１６１５５２号公報に記載
されている材料が使用でき、好ましくは、ラングミュア
・ブロジット（ＬＢ）膜よりなるものが好ましい。
【００８３】記録媒体としては、たとえば石英ガラス基
板の上に下地電極３２２として真空蒸着法によってＣｒ
を５０Å堆積させ、さらにその上にＡｕを３００Å同法
により蒸着したものを用い、その上にＬＢ法によってＳ
ＯＡＺ（スクアリリウム−ビス−６−オクチルアズレ
ン）を４層積層したものを用いる。
【００８４】３３０は記録すべきデータを記録に適した
信号に変調するデータ変調回路、３３１はデータ変調回
路で変調された信号を記録媒体３２１とプローブ３１１
の間に電圧を印加することで記録媒体３２１に情報記録
するための記録電圧印加装置である。プローブ３１１を
記録媒体３２１に所定間隔まで近づけ記録電圧印加装置
３３１によって例えば３ボルト幅５０ｎｓの矩形状パル
ス電圧を印加すると、記録媒体３２１が特性変化を起こ
し電気抵抗の低い部分が生じる。ＸＹステージ３１２を
用いて、この操作をプローブ３１１で記録媒体３２１面
上で走査しながら行うことによって情報の記録がなされ
る。図では示していないが、ＸＹステージ３１２による
走査の機構としては、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、インチ
ウオーム等の制御機構を用いて行う。
【００８５】３３２はプローブ３１１と記録媒体３２１
との間に電圧を印加して両者間に流れるトンネル電流を
検出する記録信号検出回路、３３３は記録信号検出回路
３３２の検出したトンネル電流信号を復調するデータ復
調回路である。再生時にはプローブ３１１と記録媒体３
２１との所定間隔にし記録電圧より低い、例えば２００
ｍＶの直流電圧をプローブ３１１と記録媒体３２１との
間に加える。この状態で記録媒体３２１上の記録データ
列に沿ってプローブ３１１にて走査中に記録信号検出回
路３３２を用い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。従って、この検出したトンネル電
流信号を電流電圧変換して出力してデータ復調回路３３
３で復調することにより再生データ信号が得られる。
【００８６】３３４はプローブ高さ検出回路である。こ
のプローブ高さ検出回路３３４は記録信号検出回路３３
２の検出信号を受け、情報ビットの有無による高周波の
振動成分をカットして残った信号を処理し、この残りの
信号値が一定になる様にプローブ３１１を上下動制御さ
せるためにＸ、Ｚ軸駆動制御回路３３６に命令信号を発
信する。これによりプローブ３１１と媒体３２１との間
隔が実質的に一定に保たれる。
【００８７】３５はトラック検出回路である。トラック
検出回路３３５はプローブ３１１で記録媒体３２１上を
走査する際にプローブ３１１のデータがこれに沿って記
録されるべき経路、あるいは記録されたデータ列（以下
これらをトラックと称する）からのずれを検出する回路
である。
【００８８】この検出の一例を示す。Ｘ、Ｚ軸駆動制御
回路３３６によりトラックの形状に沿って走査が行われ
るようにプローブ３１１を駆動する。この際トラック内
のビットの並び方向と交差する方向にプローブ３１１を
ビットの幅以下の振幅、且つビットの発生周波数より低
い周波数で振動させるようにする。このときのプローブ
３１１の動きを図２２に示す。図中、４２はトラック、
４１は情報ビット、４０はプローブ３１１の走査経路で
ある。ここでプローブ３１１がビットを通過する時に発
生するトンネル電流信号のプローブのトラック幅方向位
置毎の振幅を図１６で示す。このようにプローブ３１１
のトラック幅方向位置に応じて発生する信号の振幅が変
化するので、トラックの幅方向に振動しながらトラック
走査するプローブ３１１によって検出されるトンネル電
流信号には、幅方向振動の周波数に応じた変調成分が加
わっている。ここで、この幅方向振動の中心がトラック
幅方向の位置２９ｂ，２９ｃ，２９ｄにある時の各検出
信号を図１７に示す。ここで２９ａはこれらの信号が発
生する時のプローブ３１１の幅方向振動の振動波形、す
なわち３次元駆動機構に与えられるトラックの幅方向の
制御信号波形である。図１７で２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ
に示した信号はプローブ３１１の各ビット通過毎に発生
する信号の集合よりなるが、個々の信号は微小かつ大量
なので図では略して包絡線でのみ示してある。
【００８９】図１７に示すように検出信号の振幅は、図
１６に対応する符号で示した矢印の位置により、図１７
の信号２９ｂ，２９ｃ，２９ｄのように包絡線が変化す
る。従って、全波整流により、包絡線の信号を取り出す
と同図の信号２９ｂ’，２９ｃ’，２９ｄ’のようにな
る。すなわち、プローブ３１１の振動波形２９ａに対し
てその包絡線信号は、プローブ３１１が矢印２９ｃ’の
ように小さくなり、矢印２９ｂのように上にずれた場合
は振動波形２９ａに対して１８０°位相がずれて振幅も
大きくなる。矢印２９ｄのように下にずれたときは振動
波形２９ａに対して同位相となり振幅も大きくなる。そ
れゆえ、プローブ３１１のトラック幅方向振動制御信号
を参照信号として、全波整流した検出信号の検波を行う
と、トラックの中心からのずれ量に比例した信号が得ら
れる。
【００９０】図２０に示すように、以上の処理をトラッ
ク検出回路３３５で行い、得られた信号をフィードバッ
ク信号としてＸ、Ｚ軸駆動制御回路３３６に加えること
でプローブ３１１をトラック上に保つようなフィードバ
ック制御、即ちトラッキングが可能となる。
【００９１】以上の処理において再生時のみのトラッキ
ングを考える場合には、記録されている情報に対応した
ビットを用いて上述トラッキングを行えば良い。
【００９２】記録時のトラッキングについては、トラッ
ク内のあらかじめ位置の分かっている複数箇所にトラッ
キング用にビットを複数記録しておき、ここをプローブ
３１１が通過する時のみトラッキングの幅方向にプロー
ブ３１１を振動させて記録信号を検出してトラッキング
及び前述の間隔検出を行い、プローブ３１１がトラック
内の記録領域に移動したらプローブ高さ検出回路３３４
とトラック検出回路３３５からの指令信号を停止させ同
時にトラックの幅方向の振動を中止させるようにすれば
良い。
【００９３】上述のようにトラック検出回路３３５で得
るデータ列の信号によりプローブ３１１と媒体との間隔
を調整しつつ、トラッキングのためのプローブが振動し
ながら走行するように駆動制御回路３３６にて変位素子
を変位させる必要がある。
【００９４】以上のデータ変調回路３３０、記録電圧印
加装置３３１、記録信号検出回路３３２、データ復調回
路３３３、プローブ高さ検出回路３３４、トラック検出
回路３３５、ｚ軸駆動制御回路３３６、Ｘ，Ｚ軸駆動制
御回路３３６で記録再生用回路３４０を形成する。一例
として示す図２０の記録再生ヘッド３００において、記
録再生用回路３４０が記録媒体に対向する複数のプロー
ブ及びその駆動機構にそれぞれ１つずつ設けられてお
り、各プローブによる記録、再生、各プローブの変位制
御（トラッキング、間隔調整等）等の要素を独立して行
っている。
【００９５】上述した参考例はすべて記録再生装置であ
るが、記録または再生のみの装置、または記録再生消去
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。
【００９６】実施例３ 図２３（ａ）及び（ｂ）は本発明のカンチレバー型プロ
ーブの一例を示しており、圧電体薄膜５５，５５’と、
圧電体を変位させるためのバイアス電圧を印加する電極
５２，５３，５４（計６ケ）と、カンチレバーの反りを
除去するための非電気伝導体薄膜５８から構成された変
位素子の詳細を示す。図２３（ａ）は梁長さ方向の構成
断面図であり、図２３（ｂ）は図２３（ａ）のＡ−Ａ’
における幅方向の構成断面図である。
【００９７】本発明のカンチレバー型プローブの作製プ
ロセスフローの概略を、図２４（ａ）〜（ｅ）に示す。
Ｓｉ（１００）基板１の両面にＳｉを異方性エッチング
する時のマスク層５９を形成した後、第２の主面のマス
ク層にフォトリソグラフィ技術により異方性エッチング
のための開口部を設けておく（図２４（ａ））。次に、
第１の主面に電極となる電気伝導体層を形成し、フォト
リソグラフィ技術によりパターン形成し、電極５４を作
製する。電極５４上に圧電体５５’を形成し、パターニ
ングし、同様に電極５３，圧電体５５，電極５２を形成
及びパターニングを行う（図２４（ｂ））。更に、上記
パターン上部に非電気伝導体薄膜５８を形成し、パター
ニングによりカンチレバー形状の上面を覆う（図２
（ｃ））。パターニングの際、プローブ５７の取り付け
のために引き出し電極５６の一部に開口部を設けてお
く。非電気伝導体として要求される特性は、駆動用電極
が圧電体にバイアス電圧を印加するに際して、リーク電
流等の電気的な阻害をしない絶縁性を有することであ
る。
【００９８】次に、Ｓｉ基板１の第２の主面から、異方
性エッチングにより、カンチレバー状パターンの下部を
除去することによりカンチレバーを形成する（図２４
（ｄ））。このようにして作製したカンチレバーの一端
にＰｔ、Ｒｈ、Ｗ等の金属片を接着してプローブ５７を
形成し、カンチレバー型プローブを作製する。
【００９９】具体的な例として、マスク層、圧電体薄
膜、電極、非電気伝導体及びカンチレバー寸法を以下の
様に設定する。
【０１００】マスク層 ：Ｓｉ3Ｎ4 ０．２μｍ厚 圧電体薄膜 ：ＡｌＮ ０．３μｍ厚 電 極 ：Ａｌ ０．１μｍ厚 非電気伝導体 ：ＳｉＯ2 ０．３μｍ厚 カンチレバー長：３００μｍ カンチレバー幅：１５０μｍ ここで、マスク層はＳｉ3Ｎ4膜２０００ÅをＬＰＣＶＤ
により形成し、圧電体薄膜はＡｌのスパッタ用ターゲッ
トをもちいて反応性スパッタ法により、アルゴン及び窒
素の混合雰囲気中にて、ガス圧力１０ｍＴｏｒｒで成膜
した。電極となるＡｌは真空抵抗加熱蒸着法により成膜
した。非電気伝導体となるシリコン酸化膜は、ＳｉＯ2
のターゲットを用いてアルゴン雰囲気中で、基板温度２
００℃、圧力１２ｍＴｏｒｒでスパッタ法により成膜し
た。
【０１０１】このようにして作製したカンチレバーの反
りはＳｉ基板の第１の主面に対してカンチレバー先端部
が１５μｍ下方向に反っていた。比較のために、非電気
伝導体薄膜８を形成する工程を省いたカンチレバー型プ
ローブを作製したところ反りは４０μｍ上に反ってい
た。さらに、本発明のプローブを（図２４（ｅ））に示
す様に第１の主面よりＣＦ4ガスを用いた反応性イオン
エッチング法によりシリコン酸化膜の一部を除去し厚み
調整したところ、反りは５μｍ以下に押さえられた。こ
の時のシリコン酸化膜の膜厚をエリプソメトリ法により
測定したところ２０００Åであった。
【０１０２】以上から、本発明により反りの小さいカン
チレバー型プローブを得ることが可能になった。
【０１０３】次に、上記プロセスにより作製した図２３
に示す本発明のカンチレバー型プローブの変位のための
バイアス電圧印加方法の一例を図２５に示す。図２５
は、図２３に示すカンチレバー型プローブの幅方向の断
面図であり、ここでは、プローブとトンネル電流により
表面観察をする試料の間隔を調整しつつ、同図ｘ方向に
振動できる様に圧電体薄膜５５，５５’を伸縮させるた
め、圧電体駆動用の電極５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３
ｂ，５４ａ，５４ｂを梁の幅方向に分割して２組並べて
配置する。これらの電極５２〜５４は、図に示すように
駆動バイアス回路Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに配線されており、さ
らに駆動制御回路６０により駆動バイアス回路のバイア
ス電圧が制御されることとなる。試料上をプローブ５７
がｘ方向に走査する際のバイアス電圧Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの
時間依存の概略を図１５に示す。ｚ軸方向のプローブ５
７と媒体との間隔はＡ（ｔ）−Ｂ（ｔ）あるいはＤ
（ｔ）−Ｃ（ｔ）で与えられるバイアス電圧により調整
される。また、Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）、Ｃ（ｔ）、Ｄ
（ｔ）の周波数はプローブ５７のｘ方向の走査速度の周
波数に一致している。
【０１０４】Ａ（ｔ）とＣ（ｔ）の位相と、Ｂ（ｔ）と
Ｃ（ｔ）の位相とは１８０°ずらすこととなる。プロー
ブ５７をｘ方向に走査する際の走査範囲は、Ｂ（ｔ）−
Ｄ（ｔ）のバイアス電圧により調整される。図２４のプ
ロセスにて作製したカンチレバー型プローブのｚ軸方向
の変位量は±１０Ｖで±２μｍ変位可能であり、故にバ
イアス電圧Ａ（ｔ）−Ｂ（ｔ）及びＤ（ｔ）−Ｃ（ｔ）
を１０Ｖ以下で適当に設定することで−２μｍから＋２
μｍの範囲でプローブと試料の間隔を変化させることが
可能である。また、Ｂ（ｔ）−Ｄ（ｔ）のバイアス電圧
を絶対値３．８Ｖ変化させることで試料のｘ方向に探針
走査範囲５０Å幅で行うことが可能であった。
【０１０５】参考例６ 本発明のカンチレバー型プローブを用いてＳＴＭ装置を
作製した。装置のブロック図を図２６に示す。実施例に
て示したカンチレバー型プローブ５１にて試料６９にプ
ローブ５７を近づけた後（ｚ方向）、試料６９面内のｘ
方向を上記方法により走査しつつｙ方向をＸ−Ｙステー
ジ６２にて走査し、プローブ５７と試料６９にバイアス
電圧印加回路６５により電圧を加え、その時観察される
トンネル電流をトンネル電流増幅回路６３で読み出し像
観察を行う。試料と探針の間隔制御とＸ−Ｙステージの
駆動制御は駆動制御回路６０にて行う。これら、回路の
シーケンス制御はＣＰＵ６４にて行っている。図には示
していないが、Ｘ−Ｙステージ６２による走査の機構と
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、インチウォーム等の
制御機構を用いて行う。
【０１０６】この装置にて、試料６９にＨＯＰＧ（グラ
ファイト）基板を用い表面観察を行った。バイアス電圧
印加回路６５にて２００ｍＶの直流電圧をプローブ５７
と試料６９間に加えた。この状態で試料６９に添ってプ
ローブ５７を走査してトンネル電流検出回路６３を用い
て検出される信号より表面観察を行った。スキャンエリ
アを５０Å×５０Åとして、観察したところ良好な原子
像を得ることができた。
【０１０７】実施例４ 本実施例では、情報処理装置に本発明のカンチレバー型
プローブを用いる場合について述べる。
【０１０８】本発明のカンチレバー型プローブの非電気
伝導体を形成する他の作製プロセスを図２７Ａ及び２７
Ｂに示す。図２４において、非電気伝導体５８を形成す
る工程を省いて図２４（ｄ）と同様の層構成のカンチレ
バーを形成した後に、アパーチャ６６をカンチレバー上
方に設置し、シリコン酸化膜５８をスパッタ法により成
膜し、アパーチャ６６をはずしプローブ５７を取り付け
カンチレバー型プローブを作製した。シリコン酸化膜の
厚みはカンチレバーの反りを随時観測しながら調整する
こととした。
【０１０９】このようにして得られたプローブの反りは
前記作製プロセス（図２４）にて作製したものとほぼ同
様の反り量となり、測定したところ１．５μｍであっ
た。なお、この時のシリコン酸化膜の厚みは１８００Å
であった。
【０１１０】情報処理装置の情報書き込み、読み出し速
度を向上するために複数のプローブを用いる場合、各々
が記録用媒体にトンネル電流が発生する程度に近づける
必要がある。カンチレバー型プローブでは、プローブ５
７のｚ方向の可動範囲内に反りを納めなければならな
い。上記の層構成を有するカンチレバー型プローブによ
り、図２１に示す複数のトンネル電流検出用探針を備え
たマルチプローブ１００を作製した結果、本発明のカン
チレバー型プローブでは±１０Ｖで±２μｍ変位可能で
あり、可動範囲内に反りを納めることができ、プローブ
すべてを記録用媒体となる試料に近づけることが可能と
なった。
【０１１１】図３０に情報処理装置を示す。図３０中６
０７は媒体の基板、６０８は金属電極層、６０９は記録
層である。５０１はＸＹステージ、５０２はマルチプロ
ーブ、５０３はカンチレバーの支持体、５０４はマルチ
プローブをＺ方向に駆動するリニアアクチュエーター、
５０５，５０６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、５０７は記録・再生
用のバイアス回路であり、５０８はステージ駆動回路で
ある。６０１はプローブから記録層６０９を介して電極
層６０８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。６０２はマルチプローブをＺ軸方向
に移動させるためのサーボ回路であり、６０３はアクチ
ュエーター５０４を駆動するためのサーボ回路である。
６０４は複数のカンチレバーをＺ軸方向に動かすための
駆動回路であり、６０５はＸＹステージの位置制御を行
う駆動回路である。６０６は、これらの操作を制御する
コンピューターである。
【０１１２】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であり、ま
た、プローブを多数集積化したことにより記録・再生速
度を大きくすることができる。
【０１１３】上述した実施例はマルチプローブについて
であるが、記録媒体としてトンネル電流により記録媒体
表面の形状を凸型または凹型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し電気的メモリー効果を有する
有機薄膜（特開昭６３−１６１５５２号公報参照）等を
用いる情報処理装置用の記録再生ヘッドに使用できる。
【０１１４】また、実施例３から明らかなように、本発
明カンチレバー型プローブはｚ及びｘ方向に変位が可能
であり、複数のプローブの各々に図２５の駆動制御回路
６０を設けることで、各プローブによる記録、再生時の
情報列に添った微動を行うトラッキング制御等の要素を
独立して行うことが可能である。
【０１１５】上述の実施例で用いた圧電体薄膜５５，５
５’用材料はＡｌＮについてであるが、これにかぎら
ず、そのほか、ＺｎＯ、ＴｉＢａＯ、ＰｂＺｒＴｉＯ、
ＰｂＴｉＯ、Ｔａ2 Ｏ5 等の圧電効果を有する材料を用
いても良い。
【０１１６】また、非電気伝導体薄膜として、シリコン
酸化膜を用いたが、これに限らずその他、アルミナ、ジ
ルコニア、チタニア、等の酸化物；窒化チタン、ＢＮ、
シリコン窒化膜等の窒化物；ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｃ等の炭
化物；ＺｒＢ2、ＨｆＢ2等のホウ化物；あるいはフッ化
物、イオウ化物等の非電気伝導体の性質を有する材料で
あれば良い。非電気伝導体薄膜を付加することで、カン
チレバーの変位量は低減し、薄くすると反り除去が困難
となる。この為、好ましい膜厚としては、最小膜厚とし
て数ｎｍ以上であり、最大膜厚としてカンチレバー厚み
以下となる。
【０１１７】参考例７ 図２８はカンチレバー型プローブの断面図を示す。１は
Ｓｉ基板、５２は上電極、５３は中電極、５４は下電
極、５５，５５’は圧電体薄膜、５７は情報入出力用プ
ローブ、４０１はレーザー光を示す。具体的な例として
圧電体薄膜、電極、カンチレバー寸法を以下のように設
定した。
【０１１８】圧電体薄膜：ＺｎＯ ０．３μｍ厚 電極 ：Ａｕ ０．１μｍ厚 カンチレバー長：３００μｍ カンチレバー幅：１５０μｍ ここで圧電体薄膜はＺｎＯの焼結体ターゲットを用いて
反応性スパッタ法によりアルゴン及び酸素の混合雰囲気
中にて形成した。基板温度は２００℃、雰囲気ガス圧は
１０ｍＴｏｒｒであった。電極は抵抗加熱の真空蒸着法
にて形成した。
【０１１９】なおＳｉ基板は１”×１．５”の大きさで
あり、この中に上記形成方法によりカンチレバーを３０
個形成した。
【０１２０】このようにして得られたカンチレバーは５
ｖｏｌｔ以下の適当な設定により−２μｍから＋２μｍ
まで変位可能であるが、カンチレバーはＳｉ基板の第１
の主面に対してカンチレバー先端部が平均２０μｍ上方
向に反り、かつ、各々のカンチレバーの反りには±６μ
ｍ以内のバラつきがあった。これらのカンチレバーの各
々に対して、カンチレバー上面からＣＯ2レーザー光
（波長１０．６μｍ）を走査速度１〜１０ｃｍ／ｓ、電
力密度１×１０5ｗ／ｃｍ2にて照射した。雰囲気は大気
中もしくは酸素中である。照射は各々のカンチレバーの
先端部がＳｉ基板の第１の主面に対して１μｍ以内にな
るまで行った。
【０１２１】以上述べたように、本発明により、反りの
小さいカンチレバー型プローブを得ることができた。
【０１２２】参考例８ 図２９はカンチレバー型プローブの断面図を示す。具体
的な例として圧電体薄膜、電極、カンチレバー寸法を以
下のように設定した。
【０１２３】圧電体薄膜：ＺｎＯ ０．３μｍ厚 電極 ：Ａｕ ０．１μｍ厚 カンチレバー長：３００μｍ カンチレバー幅：１５０μｍ 作製は参考例７と同様にして行った。ただしカンチレバ
ーの上電極表面及び下電極表面には更に２００Å厚の黒
金が形成されている。黒金の形成方法は蒸着時に数ｍＴ
ｏｒｒのＮ2を導入する以外は、Ａｕと同様にして行っ
た。黒金はレーザー光の吸収効率を上げるために形成し
たもので、無くてもよい。
【０１２４】このようにして得られたカンチレバーは、
５ｖｏｌｔ以下の適当な設定により−２μｍから＋２μ
ｍまで変位可能であるが、カンチレバーはＳｉ基板の第
１の主面に対してカンチレバー先端部が平均２０μｍ上
方向に反り、かつ、各々のカンチレバーの反りには±６
μｍ以内のバラつきがあった。これらのカンチレバーの
各々に対して、カンチレバーの上面と下面の両面からＣ
Ｏ2レーザー光（波長１０．６μｍ）を走査速度１〜５
０ｃｍ／ｓ、電力密度１×１０5ｗ／ｃｍ2にて照射し
た。雰囲気は大気中もしくは酸素中である。照射は各々
のカンチレバーの先端部がＳｉ基板の第１の主面に対し
て１μｍ以内になるまで行った。
【０１２５】以上述べたように、本発明により、反りの
小さいカンチレバー型プローブを得ることができた。
【０１２６】
【発明の効果】以上説明したように、非電気伝導体薄膜
を備えた本発明のカンチレバー型プローブは、作製プロ
セス時に発生するカンチレバーの反りを除去することが
でき、さらに複数のカンチレバー型プローブを試料に対
してトンネル電流検出可能な程度に近づけられ、記録再
生装置用のヘッドに用いることが可能となった。また、
目的とする非電気伝導体薄膜を形成する為に、圧電体薄
膜の電気機械特性を何ら変化させる事なく反りを除去す
る事が可能となる。更に、カンチレバー型プローブをチ
ップマウントした、あるいはステージに取り付けた後に
反りを除去する事も可能となる。
【０１２７】また一方、下部電極を形成前にＳｉナイト
ライド膜を形成し、更に上部電極を形成後に保護膜を形
成して電極層と圧電層を保護膜（絶縁膜）で覆い、Ｓｉ
層のエッチングをただ１回の異方性エッチングで形成す
る事によって、エッチングのばらつき、Ｓｉウェハーの
厚さのばらつきによるカンチレバーサイズのばらつきを
抑制する事ができる。また、耐水性の優れたＳｉナイト
ライドで劣化のしやすい圧電体を覆う事で信頼性の向上
が達成できる。更に、異方性エッチングを表面から行え
るので両面アライメントや両面研磨基板を用いる必要が
なくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の保護層を設けたカンチレバー型プロー
ブの概略図である。
【図２】図１に示すカンチレバー型プローブの製造工程
の一部を示す概略図である。
【図３】図１に示すカンチレバー型プローブの製造工程
の一部を示す概略図である。
【図４】図１に示すカンチレバー型プローブの製造工程
の一部を示す概略図である。
【図５】図１に示すカンチレバー型プローブの製造工程
の一部を示す概略図である。
【図６】別の態様の製造工程の一部を示す概略図であ
る。
【図７】別の態様の製造工程の一部を示す概略図であ
る。
【図８】別の態様の製造工程の一部を示す概略図であ
る。
【図９】別の態様の製造工程の一部を示す概略図であ
る。
【図１０】本発明の情報処理（記録再生）装置を示す概
略図である。
【図１１】本発明の非電気伝導体薄膜をカンチレバー変
位素子の下部に設けた、カンチレバー型プローブを示す
概略図である。
【図１２】図１１のＡ−Ａ’断面図である。
【図１３】図１１のカンチレバー型プローブの製造プロ
セスのフロー図である。
【図１４】図１１のカンチレバー型プローブの駆動原理
を示す図である。
【図１５】図１４における駆動バイアス電圧の時間依存
を示す図である。
【図１６】本発明の装置におけるトラッキングを示す図
である。
【図１７】トラッキングにおける振動波形を示す図であ
る。
【図１８】本発明のカンチレバー型プローブの別の製造
プロセスのフロー図である。
【図１９】本発明の走査型トンネル顕微鏡の構成概略図
である。
【図２０】本発明の情報処理（記録再生）装置の構成概
略図である。
【図２１】本発明のカンチレバー型プローブを複数備え
た記録再生ヘッドの概略図である。
【図２２】本発明の記録再生装置におけるトラッキング
の説明図である。
【図２３】本発明の非電気伝導体薄膜をカンチレバー変
位素子の上部に設けた、カンチレバー型プローブの実施
例を示す構成概略図である。
【図２４】図２３に示すカンチレバー型プローブの作製
プロセス・フロー図である。
【図２５】図２３に示すカンチレバー型プローブの駆動
原理説明図である。
【図２６】本発明に係る走査型トンネル顕微鏡のブロッ
ク図である。
【図２７】本発明のカンチレバー型プローブの他の作製
方法を示す概略図である。
【図２８】本発明の製造方法の実施例１１を説明するた
めのカンチレバー型プローブの概略図である。
【図２９】本発明の製造方法の実施例１２を説明するた
めのカンチレバー型プローブの概略図である。
【図３０】本発明に係る情報処理装置の概略図である。
【図３１】カンチレバー型プローブの従来例を説明する
斜視図である。
【図３２】カンチレバー型プローブの従来例を説明する
斜視図である。
【図３３】変位素子に電圧を印加した時の３次元的方向
の動きを示す概略図である。
【図３４】カンチレバー型プローブの従来例の作製プロ
セス・フロー図である。
【符号の説明】
１ 基板 ２ Ｓｉナイトライド膜 ３ 電極層 ４ 圧電体層 ５ 保護層 ６ プローブ（探針） ８ 熱酸化膜 １１ カンチレバー型プローブ １２，１３，１４ 電極 １５，１５’ 圧電体薄膜 １６ 引き出し電極 １７ プローブ（探針） １８ 非電気伝導体薄膜 ５１ カンチレバー型プローブ ５２，５３，５４ 電極 ５５，５５’ 圧電体薄膜 ５６ 引き出し電極 ５７ プローブ（探針） ５８ 非電気伝導体薄膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八木 隆行 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 笠貫 有二 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 山本 敬介 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 島田 康弘 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 鈴木 義勇 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２−122580（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−120742（ＪＰ，Ａ) 特表 平３−504762（ＪＰ，Ａ) 国際公開89／7258（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G11B 9/14 G01N 13/12 G12B 21/20 H01L 41/22

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 １層又は複数層の圧電体薄膜の界面及び
    上下面に圧電体薄膜を変位させるための駆動用電極を設
    け、更にプローブ用の引き出し電極を有するカンチレバ
    ー状の変位素子と、該変位素子の自由端部に形成された
    情報入出力用プローブとを備えたカンチレバー型プロー
    ブの作製方法において、反りを有するカンチレバー状の
    変位素子の形成後に、前記変位素子の少なくとも上面部
    分又は下面部分に、変位素子の反りが一定値以下となる
    ように膜厚を調整しながら非電気伝導体薄膜を形成する
    ことを特徴とするカンチレバー型プローブの作製方法。
  2. 【請求項２】 １層又は複数層の圧電体薄膜の界面及び
    上下面に圧電体薄膜を変位させるための駆動用電極を設
    け、更にプローブ用の引き出し電極を有するカンチレバ
    ー状の変位素子と、該変位素子の自由端部に形成された
    情報入出力用プローブとを備えたカンチレバー型プロー
    ブの作製方法において、前記変位素子の少なくとも上面
    部分又は下面部分に非電気伝導体薄膜を形成し、反りを
    有するカンチレバー状の変位素子を形成した後に、前記
    変位素子の反りが一定値以下となる膜厚まで前記非電気
    伝導体薄膜をエッチングすることを特徴とするカンチレ
    バー型プローブの作製方法。
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