JPH09218206A

JPH09218206A - 静電アクチュエータおよび該アクチュエータを用いたプローブ、走査型プローブ顕微鏡、加工装置、記録再生装置

Info

Publication number: JPH09218206A
Application number: JP4676196A
Authority: JP
Inventors: Susumu Yasuda; 進安田; Takayuki Yagi; 隆行八木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-02-08
Filing date: 1996-02-08
Publication date: 1997-08-19

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】安定して使用できるストロークを従来に比較し
て大きく取れるアクチュエータと、それを用いたプロー
ブと、そのプローブを用いた走査型トンネル顕微鏡や原
子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡、加工装置、お
よび記録再生装置を提供する。【解決手段】静電アクチュエータは、基板と、該基板上
に形成された固定電極と、ねじれの軸が一直線上に配置
された２本のトーションバー部と、ＴＢの一端を、ＴＡ
が前記基板に対して空隙を介するように、前記基板上の
前記固定電極が形成された側に固定する支持部と、トー
ションバー部の基板に非固定側の端に、ねじれの軸回り
に回転自由に支持の回転部材と、その上に形成され、固
定電極と対向配置された可動電極と、該回転部材のＭＥ
よりもＴＢの取付部から離れた端に配置された変位規制
部材とを有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロメカニク
ス技術を用いて作成される、静電引力を用いて変位制御
を行う静電アクチュエータ、該アクチュエータを用いた
静電駆動プローブ、該静電駆動プローブを用いた走査型
トンネル顕微鏡（以下、ＳＴＭと略す）や原子間力顕微
鏡（以下、ＡＦＭと略す）等の走査型プローブ顕微鏡
（以下、ＳＰＭと略す）、加工装置、情報処理装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体の表面原子の電子構造を直
接観測できるＳＴＭがジー・ビーニッヒらにより開発
（フェルベティカフィジカアクタ．５５，７２６（１９
８２））されて以来、先端の尖った探針を走査すること
により様々な情報を得るＳＰＭ装置や、さらに基板に電
気的、化学的あるいは物理的作用を及ぼす事を目的とし
たＳＰＭを応用した微細加工技術の研究開発が行われて
いる。また、このような微細加工技術はメモリ技術にも
応用されつつある。これらの微細加工技術による加工精
度は原子レベルの大きさから数μｍ程度の大きさまで様
々であるが、例えば数ｎｍの構造物１ビットとして情報
を記録した場合、媒体が１ｃｍ角のものでも１０¹²ビッ
トオーダの記録密度を持つ情報処理装置が実現できる。
また近年、半導体フォトプロセス等の微細加工技術を用
いたマイクロマシニング技術の分野で、各種のマイクロ
アクチュエータが考案されている。ＳＰＭ探針の位置制
御機構にこれらのマイクロアクチュエータを用いること
で、複数のプローブを持つＳＰＭ装置なども可能となっ
てきており、上述の微細加工のスループットや情報処理
装置の転送レートの向上等の改善がみられている。

【０００３】現在までに提案されているマイクロアクチ
ュエータを以下に例示する。第１の例は、圧電効果を利
用したものであり、これに関する米国特許第４９０６８
４０号明細書には、片持ち梁を圧電バイモルフ構造とし
た圧電型アクチュエータの例が開示されている。第２の
例は、電極間に働く静電引力を利用するものである。こ
の形式は第１の例の圧電効果を利用したものに比較して
構造が簡単であるという特徴がある。片持ち梁自体ある
いは片持ち梁に形成された可動電極と基板上に形成され
た固定電極とに電圧を印加することにより静電引力を働
かせて梁を変位させるタイプ（特開昭６２−２８１１３
８号公報）や、トーションバーのねじれ弾性を利用し
て、トーションバーに支持された平板部を静電駆動させ
るタイプ（Ｐｅｒｔｅｒｓｅｎ，ＩＢＭＪ．ＲＥＳ．Ｄ
ＥＶＥＬＯＰ．，ＶＯＬ．２４，Ｎｏ．５，Ｓｅｐ．１
９８０，ｐｐ．６３１−６３７）等が提案されている。

【０００４】図５は、トーションバーのねじれ弾性を利
用した静電駆動アクチュエータをＳＴＭ探針の位置制御
に利用したプローブを示す図である。図５において、基
板１００１上には、絶縁層１００２が形成されている。
絶縁層１００２上には固定電極１００３が形成され、そ
の上に空隙部１００４を介してレバー１００７が形成さ
れている。レバー１００７は、回転支持を行うトーショ
ンバー１００８によって支持部１００９に支持されてお
り、レバー１００７の一方の端には探針１００５が配置
され、トーションバー１００８を挟んでレバー１００７
の反対側には導電性薄膜で形成された可動電極１００６
が配置されている。１０１０〜１０１２はそれぞれ可動
電極印加電圧信号線、固定電極印加電圧信号線、そして
トンネル電流検出信号線である。

【０００５】次に、以上のように構成されたトーション
レバー型ＳＴＭプローブにおける探針高さの制御法につ
いて述べる。可動電極印加電圧信号線１０１０と固定電
極印加電圧信号線１０１１を介して、固定電極１００３
と可動電極１００６の間に電圧を印加すると、固定電極
１００３と可動電極１００６との間に静電引力が働く。
すると、レバー１００７は、この静電引力によるトルク
とトーションバー１００８の復元トルクの釣り合う位置
まで回転する。静電引力は印加電圧によって変化するの
で、固定電極ｌ００３と可動電極１００６の間に印加す
る電圧を変化させることで、探針１００５の高さを制御
することができる。静電引力を利用したアクチュエータ
を単純にモデル化すると図１０の様になる。図１０にお
いて、可動電極９０６と固定電極９０３の間に駆動電圧
Ｖを印加すると、両電極間に静電引力Ｆａが働く。Ｆａ
は以下のように表される。Ｆａ＝ε₀ＡＶ²／（ｄ−ｘ）² ここで、ε₀は真空の誘電率、Ａは電極の面積、ｄは電
極間の初期ギャップ、ｘは可動電極の変位である。一方
ばねの復元力Ｆｒは、ばね９１５のばね定数をｋとする
と次のように表される。Ｆｒ＝−ｋｘ図７の実線は３種類の印加電圧（Ｖ₁＜Ｖ₂＜Ｖ₃）にお
ける変位ｘに対する静電引力Ｆａの大きさを実数で、ば
ねの復元力Ｆｒを点線でプロットしたものである。比較
を行いやすいように、ばねの復元力は符号を反転してプ
ロットしている。Ｖ＝Ｖ₁のとき、ＦａとＦｒはｘがｘ_A
のときとｘ_Bの時に等しくなる。ｘ＝ｘ_Aにおいてｘが減
少する向きに変位したとすると、ＦａがＦｒよりも強く
なりｘを増加させる向きに力が働く。逆に、ｘが増加す
る向きに変位したとすると、ＦｒがＦａよりも強くなり
ｘを減少させる方向に力が働く。すなわち、ｘ＝ｘ_Aに
おいては、変化した向きとは逆向きの復元力が働くの
で、ｘ＝ｘ_Aは安定な平衡点といえる。一方、ｘ＝ｘ_Bの
ときには、変化した向きと同じ方向に力が働くので、こ
の点は安定な点ではないことがわかる。つまり、Ｖ＝Ｖ
₁のときのアクチュエータの安定な平衡点はｘ＝ｘ_Aであ
る。Ｖ＝Ｖ₂のときＦａとＦｒはｘ＝ｄ／３の１点で接
する。このときの電圧Ｖ₂を崩れ電圧といい、以下Ｖｃ
で表す。Ｖ＝Ｖ₃においては、ＦａとＦｒは等しくなる
点は存在せず、常に静電引力Ｆａの方が強くなる。この
状態になるとアクチュエータは変位ｘがｄと等しくな
る。電圧Ｖとアクチュエータの変位ｘの関係を図８に示
す。電圧Ｖを上げてゆくと、アクチュエータの変位ｘは
増加してゆき、Ｖが崩れ電圧Ｖｃに達するとｘが一気に
ｄまで増加することがわかる。この現象を利用してアク
チュエータをデジタル的に変位させる技術も公知である
（特開平４−２３０７２３号公報）。この現象を利用す
ると、崩れた時の変位はアクチュエータの構造で決定さ
れるので、変位量のばらつきのきわめて小さなアクチュ
エータを得ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たような従来の静電アクチュエータには、安定して使用
できるストロークが小さいという問題点があった。以下
にこの点について説明する。走査型プローブ顕微鏡にお
いては探針の高さを連続的に変位させる必要があるの
で、ＶはＶｃ未満の範囲で使用しなければならない。さ
らに、アクチュエータを外乱が入っても安定して使用す
るためには駆動電圧ＶはＶｃよりも十分低くなければな
らない。このことを図を用いて説明する。図９のＡ点に
おいて、プローブは安定である。このときのプローブの
変位ｘ_Aを平衡点という。ここで、Ａ点において平衡状
態にあるアクチュエータに外乱が働いて、Ｂ点よりも右
側に強制的に変位させられたとする。するとグラフより
静電引力がばねの復元力よりも大きくなることがわか
る。すると駆動電圧Ｖが崩れ電圧Ｖｃよりも小さいのに
も関らず、アクチュエータはｘ＝ｄになるまで一気に変
位する。このＢ点におけるアクチュエータの変位ｘ_Bを
以下では安定限界点と称する。このように崩れ電圧Ｖｃ
よりも低い電圧Ｖで駆動を行っていても、何らかの外乱
により安定限界点ｘ_Bを越えるまでアクチュエータが変
位すると、アクチュエータが一気にストロークし制御不
能になってしまうので、アクチュエータの使用にあたっ
ては外乱によって安定限界点ｘ_Bを越えることのないよ
うにしなければならない。安定限界点ｘ_Bは駆動電圧Ｖ
を上げていくと小さくなり、平衡点ｘ_Aは駆動電圧Ｖを
上げていくと大きくなる。そして駆動電圧Ｖが崩れ電圧
Ｖｃに等しくなると、平衡点ｘ_Aと安定限界点ｘ_Bはｘ＝
ｄ／３において一致する。つまり、駆動電圧ＶがＶｃに
近いほど、平衡点ｘ_Aと安定限界点ｘ_Bは近くなり、外乱
に対するアクチュエータの許容変位量が少なくなってし
まう。そこで、従来は外乱が入っても安定限界点ｘ_Bを
越えないようにするために、平衡点ｘ_Aと安定限界点ｘ_B
が十分に離れているようにＶｃよりも十分に低い電圧範
囲で使用していた。そのため、アクチュエータの使用可
能なストローク範囲が極めて制限されていた。例えば、
特開昭６２−２８１１３８号公報で開示された例におい
ては、片持ち梁の長さが１００μｍ、電極間距離が６μ
ｍのプローブの最大ストロークが０．２μｍとなってお
り、最大ストロークは電極間距離の３．３％にすぎない
このように従来の静電アクチュエータには、安定して使
用できるストロークが小さいという問題点があった。

【０００７】そこで、本発明は、上記従来技術が有する
課題を解決するため、安定して使用できるストロークを
従来に比較して大きく取ることができるアクチュエータ
と、そのアクチュエータを用いたプローブと、そのプロ
ーブを用いた走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡等
の走査型プローブ顕微鏡、加工装置、および記録再生装
置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、静電アクチュエータおよび該アクチュエー
タを用いたプローブ、走査型プローブ顕微鏡、加工装
置、記録再生装置について、つぎのように構成したもの
である。すなわち、本発明の静電アクチュエータの一つ
は、基板と、該基板上に形成された固定電極と、ねじれ
の軸が一直線上に配置された２本のトーションバー部
と、該トーションバー部の一端を、前記ねじれの軸が前
記基板に対して空隙を介するように、前記基板上の前記
固定電極が形成された側に固定する支持部と、前記トー
ションバー部の基板に固定されていない側の端に、前記
ねじれの軸回りに回転自由に支持される回転部材と、該
回転部材上に形成され、前記固定電極と対向するように
配置された可動電極と、該回転部材の前記可動電極より
もトーションバーの取付部から離れた端に配置された変
位規制部材とを有することを特徴としている。そして、
本発明においては、前記変位規制部材を、前記回転部材
と同一平面上に配置され且つ前記回転部材と一体的に構
成することができ、また、前記基板に向かって突出する
ように前記回転部材に取り付けて構成することができ
る。また、本発明においては、前記トーションバーの回
転軸から前記平板部の前記固定電極と対向している側の
端までの距離をＬ１、前記トーションバーの回転軸を前
記基板上に投影した線と固定電極の端までの距離をＬ２
としたときに、距離Ｌ１と距離Ｌ２との関係を、Ｌ１≧
３×Ｌ２とし、また、本発明の静電アクチュエータにお
いては、前記基板には、前記平板部がトーションバーの
軸回りに回転変位した際に該基板と接触する位置に、電
気的に接地された第２の固定電極を設け、また、前記平
板部の前記回転軸から見て前記可動電極が存在する側の
うち、前記可動電極の存在しない部分の幅が、前記可動
電極の幅に比べて狭くすることが好ましい。また、前記
固定電極と前記可動電極の間への電圧の印加は、電圧を
連続的に変化させることができる可変電圧電源により行
われることが好ましい。また、本発明においては、請求
項１〜請求項５のいずれか１項に記載のアクチュエータ
を用い、該アクチュエータ前記平板部の一端にテイップ
を設けて静電駆動プローブを構成することができる。ま
た、本発明においては、上記静電駆動プローブを用い、
このプローブと前記可動電極と前記固定電極の間に印加
する電圧を連続的に制御する駆動制御部と、前記プロー
ブと観察すべき試料の相対位置を変化させる走査装置
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を構成することができる。そし
て、この走査型プローブ顕微鏡には、静電容量検出ユニ
ットを備えるようにしてもよい。また、本発明において
は、上記静電駆動プローブを用い、このプローブと、前
記可動電極と前記固定電極の間に印加する電圧を連続的
に制御する駆動制御部と、前記プローブと加工すべき試
料の相対位置を変化させる走査装置と、前記試料の表面
情報を処理する信号処理部とを備えた加工装置を構成す
ることができる。また、本発明においては、上記静電駆
動プローブを用い、このプローブと、前記可動電極と前
記固定電極の間に印加する電圧を連続的に制御する駆動
制御部と、前記プローブと記録媒体の相対位置を変化さ
せる走査装置と、前記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
置を構成することができる。そして、これらのいずれの
装置もそれらを複数のプローブで構成することができる
ことは勿論のことである。さらに、本発明においては、
基板と、該基板上に形成された固定電極と、ねじれの軸
が一直線上に配置された２本のトーションバー部と、該
トーションバー部の一端を、前記ねじれの軸が前記基板
に対して空隙を介するように、前記基板上の前記固定電
極が形成された側に固定する支持部と、前記トーション
バー部の基板に固定されていない側の端に、前記ねじれ
の軸回りに回転自由に支持される回転部材と、該回転部
材上に形成され、前記固定電極と対向するように配置さ
れた可動電極と、前記基板上に、前記固定電極よりもト
ーションバーの取付部から離れた位置に配置された変位
規制部材とにより静電アクチュエータを構成することが
できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明は、上記した構成により本
発明の課題を達成することができるものであるが、その
内容をつぎに図に基づいて具体的に説明する。図６に本
発明の静電アクチュエータを用いたプローブの側面図を
示す。図６において、平板部１０１が第２の固定電極１
１４と接触するまでトーションレバー１０８の軸の回り
に回転変位したとすると、可動電極１０５と固定電極１
０３が最も近くなる部位の可動電極の変位はｄ・Ｌ２／
Ｌ１で与えられる。ここで、ｄは初期ギャップ、Ｌ１は
トーションバーの回転軸から平板部の前記固定電極と対
向している側の端までの距離、Ｌ２はトーションバーの
回転軸を基板上に投影した線と固定電極の端までの距離
である。既に説明したように、静電アクチュエータの可
動電極の変位の安定限界点はｄ／３以上であるが、本発
明の静電アクチュエータはＬ１≧３Ｌ２となるように設
定するので、可動電極の変位はｄ／３以下に規制され、
外乱によって可動電極の変位がｄ／３を越えることがな
い。本発明においては以上により、アクチュエータの駆
動中に、アクチュエータに外乱が働いても、アクチュエ
ータが急にストロークして制御不能に陥る恐れがないの
で、つぎのような静電アクチュエータおよび該アクチュ
エータを用いたプローブ、走査型プローブ顕微鏡、加工
装置、記録再生装置を提供することが可能となる。すな
わち、静電アクチュエータを本発明のように構成するこ
とにより、従来よりも大きなストローク範囲で使用する
ことが可能な静電アクチュエータを提供することができ
る。また、本発明の静電アクチュエータにおいて、回転
軸から見て可動電極側のうち、可動電極以外の部分の幅
を狭くすることにより、空気のダンピングが必要以上に
大きくなることを防ぐことができる静電アクチュエータ
を提供することができる。また、本発明の静電アクチュ
エータにおいて、上記したように第２の固定電極を設け
ることにより、基板が帯電することによってレバーが張
り付くという問題のないアクチュエータを提供すること
ができるの静電アクチュエータを提供することができ
る。また、本発明の静電アクチュエータにおいて、電圧
を連続的に変化させることができる可変電圧電源を用い
ることにより、静電アクチュエータのストロークを連続
的に変化させることができるアクチュエータを提供する
ことができる。また、本発明の静電アクチュエータを用
いて、走査型プローブ顕微鏡用の静電駆動プローブを構
成することにより、従来よりも探針の高さ制御範囲が大
きなプローブを提供することができる。また、本発明の
静電駆動プローブによって走査型プローブ顕微鏡を構成
することにより、従来よりも高さ方向の観察範囲が大き
な走査型プローブ顕微鏡を提供することができる。ま
た、本発明の静電駆動プローブによって試料表面への選
択堆積あるいはエッチング等の加工が可能な加工装置を
構成することにより、従来よりも高さ方向の加工範囲が
大きな加工装置を提供することができる。また、本発明
の静電駆動プローブによって記録再生装置を構成するこ
とにより、従来よりも凹凸の大きな媒体を使用すること
ができる記録再生装置を提供することができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。［実施例１］本実施例の静電駆動型ＳＴＭ装置につい
て、図を用いて説明する。図１は本実施例で作製した静
電駆動プローブユニットの斜視図、図２は図１の静電駆
動プローブユニットの断面図と制御回路の概略を示した
ものである。絶縁性の基板１０１上には第一の固定電極
１０３と第二の固定電極１１４が形成され、その上に空
隙部１０４を介してレバー１０７が形成されている。レ
バー１０７は、回転支持を行うトーションバー１０８に
よって支持部１０９に支持されている。そのレバー１０
７上の一方の端にはトンネル電流検出用の導電性探針１
０５が配置され、導電性薄膜で形成された可動電極１０
６が第一の固定電極１０３と対向する位置にトーション
バー１０８を挟んでレバーの反対側に配置されている。
レバー１０７の一端は変位規制部材１９９を一体的に形
成している。１１０〜１１２の配線はそれぞれ、可動電
極印加電圧信号線、固定電極印加電圧信号線、そしてト
ンネル電流検出信号線である。可動電極１０６と第２の
固定電極１１４は可動電極印加電圧信号線１１０を介し
てグランドにバイアスされている。第二の固定電極１１
４は絶縁性の基板１０１が帯電して、平板部１０７が基
板１０１に張り付くことを防止するために設けられてい
る。１２０は観察試料を示しており、本実施例ではグラ
ンドにバイアスされている。測定バイアス印加回路は探
針１０５に測定バイアスを印加する。Ｉ−Ｖ変換回路１
２３は、探針１０５によって検出されてトンネル電流信
号線１１２を介して入力されたトンネル電流を、電圧信
号に変換する。その信号はＺ方向位置制御回路１２２に
伝えられ、Ｚ方向位置制御回路１２２はそれを受けて固
定電極印加電圧信号線１１１を介して第一の固定電極１
０３に印加する電圧を生成する。データ等生成回路１２
４は画像や情報を得るためのデータを生成する。

【００１１】つぎに、ＳＴＭ測定動作について説明す
る。本実施例ではトンネル電流が一定になるように探針
・試料間距離を制御する場合（トンネル電流一定モー
ド）について説明する。探針１０５には、測定バイアス
印加回路１２５によって試料基板１２０に対して所定量
の測定バイアス電圧が印加されている。探針１０５と試
料基板１２０が接近装置（不図示）によって接近させら
れると、ある距離以内で両者の間にトンネル電流が流れ
はじめる。このトンネル電流信号はＩ−Ｖ変換回路１２
３によって電圧信号に変換されＺ方向位置制御回路１２
２に送られる。このトンネル電流信号は探針１０５と試
料基板１２０との距離制御に用いられる。本実施例では
Ｚ方向位置制御回路１２２はトンネル電流が一定になる
ように駆動電圧制御回路１２１に制御電圧データを送
り、駆動電圧制御回路１２１はその値から第一の固定電
極１０３に印加する電圧を算出し、算出した電圧を固定
電極印加電圧信号線１１１を介して印加する。このよう
な手続きによってフィードバックループが構成され、ト
ンネル電流一定制御が実現される。次に、表面観察像を
得るために探針１０５と試料基板１２０とを試料面と平
行な方向（ｘ、Ｙ方向）に相対移動させる。これを以下
ｘＹ走査と呼ぶ。なお、このｘＹ走査機構に関しては図
示していない。このｘＹ走査によって得られたトンネル
電流信号はデータ等生成回路１２４に送られ、ｘＹ走査
によって得られたトンネル電流信号（カレント信号）ま
たはそのトンネル電流信号による制御信号（トポグラフ
ィック信号）は、ＣＲＴ等のモニタ（不図示）上のｘ−
Ｙ座標に対応する位置に、それらの信号の大きさに応じ
て輝度や色信号などによって出力されることで試料表面
を画像として観察することができるようになっている。

【００１２】つぎに、各々の電極の働きについて説明す
る。探針１０５と試料基板１２０の間に流れるトンネル
電流が目標とする電流値よりも小さい、すなわち両者の
間隔が遠すぎる場合には駆動電圧制御回路１２１から第
一の固定電極１０３に印加する電圧を増加させる。する
と、第一の固定電極１０３と可動電極１０６が引き寄せ
られる方向に動くので、シーソーのように探針１０５は
試料基板１２０に近づくことになる。反対に探針１０５
と試料基板１２０の間に流れるトンネル電流が目標とす
る電流値よりも大きい、すなわち両者の間隔が近すぎる
場合には駆動電圧制御回路１２１から第一の固定電極１
０３に印加する電圧を減少させる。これにより探針１０
５と試料基板１２０は離れることになる。また、Ｚ方向
位置制御回路１２２による制御電圧の算出方法はデジタ
ルによるＰＩＤ制御手段（不図示）を用いて行う。具体
的には、トンネル電流信号からＩ−Ｖ変換回路１２３に
よって検出された電圧値をデジタル値に変換し、デジタ
ル演算回路によってＰＩＤ制御手段の制御出力を算出す
る。ＰＩＤ制御手段の各ゲインを適当に調整することに
より、フィードバック制御を安定に維持することができ
る。実際にＡｕの抵抗加熱による蒸着によって成膜した
薄膜表面を、本発明のＳＴＭで観察し、従来型の変位規
制部材を持たないトーション型機構による観察結果と比
較する。この試料の凹凸は基板全体で数μｍ程度である
と考えられる。従来型の変位規制部材を持たない卜ーシ
ョン型機構は、安定して使用できるレンジが±１μｍと
小さく、試料の凹みが大きい部分では探針がその凹みの
底まで届かないためトンネル電流が全く観測できない領
域や、反対に凸状態の大きいところでは探針が持ち上が
らずに試料表面に接触し、トンネル電流の飽和してしま
う領域が各所に見られた。しかし、本発明を用いた観察
装置では、安定して使用できるレンジが±１．５μｍに
増加したため、トンネル電流の飽和や電流ゼロの領域が
明らかに減少した。また、平板部の回転軸から見て可動
電極が存在する側のうち可動電極が存在しない部分の幅
が、可動電極に比べて十分狭いので、空気によるダンピ
ングの影響も従来と大差なく、同程度の追従性が得られ
た。なお、本実施例で用いた回路は一例として示したも
のであってこれに限定されるものではなく、たとえば全
体をアナログで制御することも可能であることはいうま
でもない。

【００１３】本実施例では図１１や、図１２に示すよう
な静電駆動プローブを使用することもできる。図１に示
すプローブにおいては、変位規制部材は回転部材と一体
に形成されているが、図１１に示すプローブは、変位規
制部材１９９が別体で且つ基板１０１に向かって突出す
るように回転部材１０７に取り付けられており、図１２
に示すプローブは、変位規制部材１９９が回転部材１０
７に向かって突出するように基板１０１に取り付けられ
ている。図１１、図１２に示すプローブは図１に示すプ
ローブに比較して、作成行程が複雑になるものの、回転
部材のねじりの軸回りの慣性モーメントが小くなるの
で、動特性が向上するという利点がある。

【００１４】［実施例２］本実施例では本発明のＡＦＭ
／ＳＴＭ装置を図を用いて説明する。図３は本実施例の
レバー機構の断面図と制御回路の概略を示したものであ
る。２０１〜２１５は実施例１の１０１〜１１５に対応
している。実施例１と異なる点は、ＡＦＭ装置として使
用するための静電容量検出ユニット２１６が設けられて
いる点である。まず、この装置は実施例１に示したのと
同様な方法で静電駆動型ＳＴＭ装置として使用すること
ができる。

【００１５】つぎに、この装置を静電容量型ＡＦＭ装置
として使用する場合の方法を説明する。試料２２０と探
針２０５とが一定の弱い圧力で接した状態で基板２０１
と試料２２０との距離が変化しないように、不図示の距
離（Ｚ方向）制御機構によって固定し、基板２０１を試
料面に対して平行にｘＹ走査する。この時、探針２０５
は試料２２０表面の凹凸に従ってＺ方向に上下すること
になるので、固定電極２０３と可動電極２０６間の距離
が変わり、固定電極２０３と可動電極２０６間の静電容
量が変化する。この静電容量変化を静電容量検出ユニッ
ト２２６で検出し、前記ｘＹ走査した位置に合わせてプ
ロットすることにより、試料の表面形状とする。本実施
例のＳＴＭ／ＡＦＭ装置を用いることで、同一試料の同
一領域を、ＳＴＭモード及びＡＦＭモードで観測するこ
とにより、表面形状と導電性分布との両方の情報を混同
することなく調べることが可能である。

【００１６】［実施例３］本実施例では、探針が設けら
れたレバーを複数個有するマルチＳＴＭ装置について図
４を用いて説明する。図４は、本実施例の静電駆動型マ
ルチＳＴＭ装置のプローブの概略説明図であり、（ａ）
は断面図であり、（ｂ）は平面図である。図４の構成
は、基本的には実施例１で示したＳＴＭプローブ（図１
参照）を同一基板内に３つ形成したものである。４０１
〜４１４は、１０１〜１１４にそれぞれ対応している。
本実施例では基板４０１の材質にシリコンを用いている
ため、実施例１と異なり表面に絶縁層４０２を形成し、
基板上の各電極を絶縁している。半導体プロセス技術を
用いて作製することにより、容易に、かつ、ばらつき無
く複数個のプローブを形成可能である。また、並べ方も
直線状以外にも、マトリクス状など２次元配列すること
が可能である。本実施例においては、それぞれのトーシ
ョン型レバーを独立に駆動することが可能であり、即
ち、同時に複数のＳＴＭ観察が可能となる。

【００１７】［実施例４］本実施例では実施例１で示し
た静電駆動型ＳＴＭ装置（図１、図２参照）と、金（Ａ
ｕ）を表面に堆積したシリコンウェハとを、真空排気し
たチャンバー内に設置し、チャンバー内の真空度が約１
×１０^-4Ｔｏｒｒとなるように６フッ化タングステン
（ＷＦ６）ガスを導入する。この状態で試料（Ａｕ）表
面のＳＴＭ観察を行うと、探針走査部分に対応してタン
グステンが試料表面に堆積する。この様なＳＴＭ装置構
成による試料表面への選択堆積あるいはエッチングなど
の加工においても、本発明の装置は従来の装置に比較し
てＺ軸方向の変位量が大きいので、より深いエッチング
や厚い堆積が可能となり有効である。

【００１８】［実施例５］本実施例では実施例３で示し
た複数のプローブを持つマルチＳＴＭ装置を用いて、試
料としての記録媒体に電気的な加工を施すことにより記
録ビットの書き込みを行ない、実際にそのビットを用い
て情報の記録再生消去を行なった例を示す。記録媒体と
しては特開昭６３−１６１５５２号公報および特開昭６
３−１６１５５３号公報に開示されている記録媒体であ
るＡｕ電極上に積層されたＳＯＡＺ−ラングミュアープ
ロジェット（ＬＢ）膜（２層膜）を試料として用いる。
Ａｕ電極には実施例１で用いた抵抗加熱によるＡｕの蒸
着膜を用いている。この記録媒体に、レバー上の探針を
用いて波高値−６Ｖおよび＋１．５Ｖの連続したパルス
電圧を重畳したバイアスを探針と記録媒体の間に印加す
ることで電気的な情報の書き込みを行う。さらにその書
き込んだ情報を読み出すために、ＳＴＭ装置と同様な走
査方法によってトンネル電流を測定し、得られるトンネ
ル電流信号から、電気的加工によって書き込んだビット
信号を抽出し、抽出したビット信号から書き込んだ情報
の再生を行う。再生した情報は、トンネル電流信号の飽
和や不検出状態等が起こらず、情報の欠落等も発生せ
ず、書き込んだ情報は１００％再生できる。また、一度
書き込んだ一連の部分に上述のバイアスと逆の大きさの
パルスを重畳したバイアスを探針と記録媒体の間に印加
する。その後に一連のビットを形成する部分を走査しト
ンネル電流を測定すると、すべてビットがない場合の大
きさに戻っている。すなわち書き込んだデータが消去さ
れていることを確認でき、本発明によって、消去に対し
ても安定に探針制御ができる。以上は実施例１に基づい
たＳＴＭでの記録再生について述べたが、ＡＦＭ／ＳＴ
Ｍ複合機についても同様に記録再生が可能である。ＡＦ
Ｍ／ＳＴＭ複合機においては、ＳＴＭの場合と同様に、
探針によってバイアスを印加する方法により情報の書き
込みをし、ＡＦＭ機構によって媒体と探針の距離を一定
に保ちながら、観測されるトンネル電流の変化から情報
を読みとるという方法によって記録再生がを実現するこ
とができる。もちろん、消去についても本実施例前半で
述べた方法と同一に行ない確認した。

【００１９】

【発明の効果】本発明は以上の構成によりつぎのような
効果を奏する。本発明の静電アクチュエータは、上記の
ように基板と、該基板上に形成された固定電極と、ねじ
れの軸が一直線上に配置された２本のトーションバー部
と、該トーションバー部の一端を、前記ねじれの軸が前
記基板に対して空隙を介するように、前記基板上の前記
固定電極が形成された側に固定する支持部と、前記トー
ションバー部の基板に固定されていない側の端に、前記
ねじれの軸回りに回転自由に支持される回転部材と、該
回転部材上に形成され、前記固定電極と対向するように
配置された可動電極と、該回転部材の前記可動電極より
もトーションバーの取付部から離れた端に配置された変
位規制部材とで構成することによて、静電アクチュエー
タの可動電極の変位が外乱によりその安定限界点を越え
ないようにすることが可能となる。また、本発明におい
ては、前記変位規制部材を、前記回転部材と同一平面上
に配置され且つ前記回転部材と一体的に構成することに
より、その作成を容易とすることができ、また、前記変
位規制部材を、前記基板に向かって突出するように前記
回転部材に取り付けることにより、回転部材のねじり軸
回りの慣性モーメントを小さくすることができ、動特性
を向上させることができる。また、トーションバーの回
転軸から平板部の固定電極と対向している側の端までの
距離（Ｌ１）と、前記トーションバーの回転軸を基板上
に投影した線と固定電極の端までの距離（Ｌ２）との関
係を、Ｌ１≧３×Ｌ２とすることにより、平板部が基板
にぶつかることで可動電極のストロークを初期ギャップ
の１／３以下に制限することができ、大きなストローク
においても崩れることがなく、従来の静電アクチュエー
タよりも大きなストロークを得ることができる。また、
本発明のアクチュエータは、上記したように基板に第２
の固定電極を設けることで平板部が帯電によって基板に
張り付くことを防止することができる。また、本発明の
アクチュエータは、回転軸から見て可動電極側のうち、
可動電極以外の部分の幅を狭くすることにより、空気の
ダンピングが必要以上に大きくなることを防止すること
ができる。また、本発明の静電アクチュエータにおい
て、電圧を連続的に変化させることができる可変電圧電
源を用いることにより、静電アクチュエータのストロー
クを連続的に変化させることができる。また、本発明の
静電アクチュエータを用いて、走査型プローブ顕微鏡用
の静電駆動プローブを構成することにより、従来よりも
探針の高さ制御範囲が大きなプローブを提供することが
できる。また、本発明の静電駆動プローブによって走査
型プローブ顕微鏡を構成することにより、高さ方向の観
察範囲としての探針のストロークを、従来よりも大きく
とることができ、より正確な表面凹凸状態を観察するこ
とができる。また、本発明の静電駆動プローブによって
試料表面への選択堆積あるいはエッチング等の加工が可
能な加工装置を構成することにより、高さ方向の加工範
囲としての探針のストロークを、従来よりも大きく取る
ことができ、より深いエッチングや厚い堆積が可能とな
る。また、本発明の静電駆動プローブによって記録再生
装置を構成することにより、探針のストロークを従来よ
りも大きく取ることができるので、従来よりも凹凸の大
きな媒体を使用することが可能な記録再生装置を実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の静電駆動型ＳＴＭプローブユニット
の斜視図である。

【図２】実施例１の静電駆動型ＳＴＭプローブユニット
の断面図と制御回路の概略図である。

【図３】実施例２のＳＴＭ／ＡＦＭプローブユニットの
断面図と制御回路の概略図である。

【図４】実施例３の静電駆動型マルチＳＴＭ装置のプロ
ーブの概略説明図である。

【図５】従来の静電駆動型ＳＴＭプローブユニットの斜
視図である。

【図６】本発明の動作を説明する図である。

【図７】静電駆動アクチュエータの安定点と崩れ電圧を
説明する図である。

【図８】静電駆動アクチュエータの駆動電圧と変位の関
係を説明する図である。

【図９】静電駆動アクチュエータの安定限界点を説明す
る図である。

【図１０】静電駆動アクチュエータの動作原理図であ
る。

【図１１】実施例１における別の静電駆動型ＳＴＭプロ
ーブユニットの構成を示す斜視図である。

【図１２】実施例１におけるさらに別の静電駆動型ＳＴ
Ｍプローブユニットの構成を示す斜視図である。

【記号の説明】

１０１、２０１、４０１、１００１：基板４０２、１００２：絶縁層１０３、２０３、４０３、９０３、１００３：固定電極１０４、２０４、４０４、１００４：空隙部１０５、２０５、４０５、１００５：探針１０６、２０６、４０６、９０６、１００６：可動電極１０７、２０７、４０７、１００７：平板部１０８、２０８、４０８、１００８：トーションバー１０９、４０９、１００９：支持部１１０、２１０、４１０、１０１０：可動電極印加電圧
信号線１１１、２１１、４１１、１０１１：固定電極印加電圧
信号線１１２、２１２、４１２、１０１２：トンネル電流検出
信号線１１４、２１４、４１４：第２の固定電極１２０、２２０：試料基板１２１、２２１：駆動電圧制御回路１２２、２２２：Ｚ方向位置制御回路１２３、２２３：Ｉ−Ｖ変換回路１２４、２２４：データ等生成回路１２５、２２５：測定バイアス印加回路１９９、１９９₁、１９９₂：変位規制部材２２６：静電容量検出ユニット９１５：ばね

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、該基板上に形成された固定電極
と、ねじれの軸が一直線上に配置された２本のトーションバ
ー部と、該トーションバー部の一端を、前記ねじれの軸が前記基
板に対して空隙を介するように、前記基板上の前記固定
電極が形成された側に固定する支持部と、前記トーションバー部の基板に固定されていない側の端
に、前記ねじれの軸回りに回転自由に支持される回転部
材と、該回転部材上に形成され、前記固定電極と対向するよう
に配置された可動電極と、該回転部材の前記可動電極よりもトーションバーの取付
部から離れた端に配置された変位規制部材と、を有することを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項２】前記変位規制部材が、前記回転部材と同一
平面上に配置され且つ前記回転部材と一体的に構成され
ていることを特徴とする請求項１に記載の静電アクチュ
エータ。
【請求項３】前記変位規制部材が、前記基板に向かって
突出するように前記回転部材に取り付けられていること
を特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエータ。
【請求項４】前記トーションバーの回転軸から前記平板
部の前記固定電極と対向している側の端までの距離をＬ
１、前記トーションバーの回転軸を前記基板上に投影し
た線と固定電極の端までの距離をＬ２としたときに、距
離Ｌ１と距離Ｌ２との関係を、Ｌ１≧３×Ｌ２としたこ
とを特徴とする請求項１に記載の静電アクチュエータ。
【請求項５】前記基板には、前記平板部がトーションバ
ーの軸回りに回転変位した際に該基板と接触する位置
に、電気的に接地された第２の固定電極が設けられてい
ることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項
に記載の静電アクチュエータ。
【請求項６】前記平板部の前記回転軸から見て前記可動
電極が存在する側のうち、前記可動電極の存在しない部
分の幅が、前記可動電極の幅に比べて狭いことを特徴と
する請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の静電ア
クチュエータ。
【請求項７】前記固定電極と前記可動電極の間への電圧
の印加は、電圧を連続的に変化させることができる可変
電圧電源により行われることを特徴とする請求項１〜請
求項６のいずれか１項に記載の静電アクチュエータ。
【請求項８】走査型プローブ顕微鏡用の静電駆動プロー
ブにおいて、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載
のアクチュエータを用い、該アクチュエータの前記平板
部の一端にテイップを設けてプローブを構成したことを
特徴とする静電駆動プローブ。
【請求項９】請求項８に記載の静電駆動プローブと、前
記可動電極と前記固定電極の間に印加する電圧を連続的
に制御する駆動制御部と、前記プローブと観察すべき試
料の相対位置を変化させる走査装置と、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。
【請求項１０】請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡
において、静電容量検出ユニットを有することを特徴と
する走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】前記プローブを、複数有することを特徴
とする請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】請求項８に記載のプローブと、前記可動
電極と前記固定電極の間に印加する電圧を連続的に制御
する駆動制御部と、前記プローブと加工すべき試料の相
対位置を変化させる走査装置と、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加工装
置。
【請求項１３】前記プローブを、複数有することを特徴
とする請求項１２に記載の加工装置。
【請求項１４】請求項８に記載のプローブと、前記可動
電極と前記固定電極の間に印加する電圧を連続的に制御
する駆動制御部と、前記プローブと記録媒体の相対位置
を変化させる走査装置と、前記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。
【請求項１５】前記プローブを、複数有することを特徴
とする請求項１４に記載の記録再生装置。
【請求項１６】基板と、該基板上に形成された固定電極
と、ねじれの軸が一直線上に配置された２本のトーションバ
ー部と、該トーションバー部の一端を、前記ねじれの軸が前記基
板に対して空隙を介するように、前記基板上の前記固定
電極が形成された側に固定する支持部と、前記トーションバー部の基板に固定されていない側の端
に、前記ねじれの軸回りに回転自由に支持される回転部
材と、該回転部材上に形成され、前記固定電極と対向するよう
に配置された可動電極と、前記基板上に、前記固定電極よりもトーションバーの取
付部から離れた位置に配置された変位規制部材と、を有することを特徴とする静電アクチュエータ。