JP2890268B2 - プローブユニット及びこれを用いた情報処理装置と走査型トンネル顕微鏡 - Google Patents
プローブユニット及びこれを用いた情報処理装置と走査型トンネル顕微鏡Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
またはその原理を応用した情報の高密度記録，再生，消
去を行う情報処理装置等に用いるトンネル電流検知用の
プローブユニット及びこれを用いた前述装置等に関す
る。
またはその原理を応用した情報の高密度記録，再生，消
去を行う情報処理装置等に用いるトンネル電流検知用の
プローブユニット及びこれを用いた前述装置等に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】近年において、導体の表面原子の電子構
造を直接観測できる走査型トンネル顕微鏡（以下、ＳＴ
Ｍと略す）が開発され（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ ｅｔ ａ
ｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．４９（１９８２）
５７）、単結晶、非晶質を問わず実空間像を著しく高い
分解能（ナノメートル以下）で測定できるようになっ
た。
造を直接観測できる走査型トンネル顕微鏡（以下、ＳＴ
Ｍと略す）が開発され（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ ｅｔ ａ
ｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．４９（１９８２）
５７）、単結晶、非晶質を問わず実空間像を著しく高い
分解能（ナノメートル以下）で測定できるようになっ
た。
【０００３】かかるＳＴＭは、金属のプローブ（探針）
と導電性物質の間に電圧を加えて、１ｎｍ程度の距離ま
で近づけると、その間に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
かつ指数関数的に変化するので、トンネル電流を一定に
保つようにプローブを走査することにより実空間の表面
構造を原子オーダーの分解能で観察することができる。
と導電性物質の間に電圧を加えて、１ｎｍ程度の距離ま
で近づけると、その間に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
かつ指数関数的に変化するので、トンネル電流を一定に
保つようにプローブを走査することにより実空間の表面
構造を原子オーダーの分解能で観察することができる。
【０００４】このＳＴＭを用いた解析は導電性材料に限
られるが、導電性材料の表面に薄く形成された絶縁膜の
構造解析にも応用され始めている。更に、上述の装置・
手段は微小電流を検知する方法を用いているため、媒体
に損傷を与えず、かつ低電力で観測できる利点をも有す
る。また、大気中での動作も可能であるためＳＴＭの広
範囲な応用が期待されている。
られるが、導電性材料の表面に薄く形成された絶縁膜の
構造解析にも応用され始めている。更に、上述の装置・
手段は微小電流を検知する方法を用いているため、媒体
に損傷を与えず、かつ低電力で観測できる利点をも有す
る。また、大気中での動作も可能であるためＳＴＭの広
範囲な応用が期待されている。
【０００５】特に、特開昭６３−１６１５５２号公報、
特開昭６３−１６１５５３号公報等に提案されている様
に、高密度な記録再生装置としての実用化が積極的に進
められている。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印加する電圧を変化させて
記録を行うものであり、記録媒体としては、電圧−電流
特性においてメモリ性のあるスイッチング特性を示す材
料、例えばカルコゲン化物類、π電子系有機化合物の薄
膜層を用いている。一方、再生については、記録を行っ
た領域とそうでない領域のトンネル抵抗の変化により行
っている。この記録方式を用いる記録媒体としては、プ
ローブに印加する電圧により記録媒体の表面形状が変化
するものでも記録再生が可能である。
特開昭６３−１６１５５３号公報等に提案されている様
に、高密度な記録再生装置としての実用化が積極的に進
められている。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印加する電圧を変化させて
記録を行うものであり、記録媒体としては、電圧−電流
特性においてメモリ性のあるスイッチング特性を示す材
料、例えばカルコゲン化物類、π電子系有機化合物の薄
膜層を用いている。一方、再生については、記録を行っ
た領域とそうでない領域のトンネル抵抗の変化により行
っている。この記録方式を用いる記録媒体としては、プ
ローブに印加する電圧により記録媒体の表面形状が変化
するものでも記録再生が可能である。
【０００６】従来、プローブの形成手法として、半導体
製造プロセス技術を用い、一つの基板上に微細な構造を
作る加工技術（Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，“Ｓｉｌｉ
ｃｏｎ ａｓ ａ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｍａｔｅｒ
ｉａｌ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉ
ＥＥＥ、７０巻、４２０頁、１９８２年）を利用して構
成したＳＴＭが、特開昭６１−２０６１４８号公報に提
案されている。これは、単結晶シリコンを基板として、
微細加工により基板面と平行な方向（ＸＹ方向）に微動
できる平行バネを形成し、更にその可動部にプローブを
形成したカンチレバー（片持ち梁）構造の舌状部を設
け、該舌状部と底面部との間に電界を与え静電力により
基板平面と直角な方向（Ｚ方向）に変位する様に構成さ
れている。
製造プロセス技術を用い、一つの基板上に微細な構造を
作る加工技術（Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，“Ｓｉｌｉ
ｃｏｎ ａｓ ａ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｍａｔｅｒ
ｉａｌ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉ
ＥＥＥ、７０巻、４２０頁、１９８２年）を利用して構
成したＳＴＭが、特開昭６１−２０６１４８号公報に提
案されている。これは、単結晶シリコンを基板として、
微細加工により基板面と平行な方向（ＸＹ方向）に微動
できる平行バネを形成し、更にその可動部にプローブを
形成したカンチレバー（片持ち梁）構造の舌状部を設
け、該舌状部と底面部との間に電界を与え静電力により
基板平面と直角な方向（Ｚ方向）に変位する様に構成さ
れている。
【０００７】また、特開昭６２−２８１１３８号公報に
は、特開昭６１−２０６１４８号公報に開示されたのと
同様の舌状部をマルチに配列した変換器アレイを備えた
記憶装置が記載されている。
は、特開昭６１−２０６１４８号公報に開示されたのと
同様の舌状部をマルチに配列した変換器アレイを備えた
記憶装置が記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
のカンチレバー構造では振動等の影響を受け易く、精密
な変位制御を再現性良く行うことが極めて難しかった。
そのため、系外部からの振動を除去するための除震機構
が不可欠であり、その結果構造が複雑になり機器全体の
小型化を困難にしていた。
のカンチレバー構造では振動等の影響を受け易く、精密
な変位制御を再現性良く行うことが極めて難しかった。
そのため、系外部からの振動を除去するための除震機構
が不可欠であり、その結果構造が複雑になり機器全体の
小型化を困難にしていた。
【０００９】また、機器外部からの振動のみならず、可
撓部自身が急激な変位をする際に寄生振動等の誘発を起
こし易く、その結果、プローブ／媒体間の位置制御にお
いて、目標値からの大きなずれが生じることも問題点と
なっていた。制御が満足に行われない場合、プローブを
被走査媒体に接触させてしまう事態に至ることがあり、
プローブ及び媒体が損傷を受ける点でも極めて重要な問
題である。
撓部自身が急激な変位をする際に寄生振動等の誘発を起
こし易く、その結果、プローブ／媒体間の位置制御にお
いて、目標値からの大きなずれが生じることも問題点と
なっていた。制御が満足に行われない場合、プローブを
被走査媒体に接触させてしまう事態に至ることがあり、
プローブ及び媒体が損傷を受ける点でも極めて重要な問
題である。
【００１０】かかる寄生振動を起こさないように、急峻
な変位を抑止する具体的手段としては、制御信号の周波
数特性での高域特性を遮断することによって制御の安定
性を確保することが可能であるが、反面、プローブ変位
の応答性を犠牲にしてしまう結果になる。
な変位を抑止する具体的手段としては、制御信号の周波
数特性での高域特性を遮断することによって制御の安定
性を確保することが可能であるが、反面、プローブ変位
の応答性を犠牲にしてしまう結果になる。
【００１１】本来、このようなカンチレバーで代表され
る微小駆動機構は、可動範囲が小さい代わりに高速性が
期待されているが、上述の様に振動を制限するために高
速応答の実現が困難であった。
る微小駆動機構は、可動範囲が小さい代わりに高速性が
期待されているが、上述の様に振動を制限するために高
速応答の実現が困難であった。
【００１２】そこで、本発明の目的は、上述した従来例
の欠点を克服し、高速応答が可能で、かつ外乱の存在下
での目標値追従が安定に行われる、精密な変位制御を可
能とするプローブユニット及びこれを用いた情報処理装
置と走査型トンネル顕微鏡を提供することにある。
の欠点を克服し、高速応答が可能で、かつ外乱の存在下
での目標値追従が安定に行われる、精密な変位制御を可
能とするプローブユニット及びこれを用いた情報処理装
置と走査型トンネル顕微鏡を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段及び作用】上記の目的は、
以下の構成からなる発明によって達成される。
以下の構成からなる発明によって達成される。
【００１４】基板上に形成された梁状の可撓部及び該可
撓部端部にプローブを有するプローブユニットであっ
て、前記プローブを少なくとも基板面と垂直な方向に変
位させる駆動手段、及びその変位に対するダンパー機構
を有するプローブユニット、によって達成される。
撓部端部にプローブを有するプローブユニットであっ
て、前記プローブを少なくとも基板面と垂直な方向に変
位させる駆動手段、及びその変位に対するダンパー機構
を有するプローブユニット、によって達成される。
【００１５】ここで、梁状の可撓部とは、可撓部分の一
端が基板上に固定された片端固定の梁構造、即ちカンチ
レバー構造体を示す。そして、かかるカンチレバーには
少なくとも駆動のための機構及び配線、並びにプローブ
に電圧を印加するための配線領域が形成されている。こ
の時、カンチレバーの形状は任意である。
端が基板上に固定された片端固定の梁構造、即ちカンチ
レバー構造体を示す。そして、かかるカンチレバーには
少なくとも駆動のための機構及び配線、並びにプローブ
に電圧を印加するための配線領域が形成されている。こ
の時、カンチレバーの形状は任意である。
【００１６】また、カンチレバーを変位させる手段とし
ては、一般に圧電効果、静電気力等の手段が知られてい
るが、最大変位量及び駆動電圧に対する変位量の線形性
等から、好ましくは圧電体バイモルフによる変位手段が
用いられる。かかる圧電体バイモルフの製造は公知であ
り、例えば半導体基板の表面にスパッタリング或いは蒸
着とフォトリソグラフ及びエッチング工程の繰り返しに
よりバイモルフ構造を形成した後、上記半導体基板にエ
ッチングを施して、上記バイモルフ構造をカンチレバー
状に支持させるものである。勿論、予め半導体基板上に
カンチレバー構造を形成した後に、マスク蒸着乃至マス
クスパッタリング等の手段によってカンチレバー上に所
望の材料を積層しバイモルフ構造を形成することも可能
である。可撓部の製造方法は本発明を何等制限するもの
ではない。また、ダンパー機構の効果は可撓部の駆動方
法に影響されるものではなく、本発明は駆動方法の選択
性をも制限するものではない。
ては、一般に圧電効果、静電気力等の手段が知られてい
るが、最大変位量及び駆動電圧に対する変位量の線形性
等から、好ましくは圧電体バイモルフによる変位手段が
用いられる。かかる圧電体バイモルフの製造は公知であ
り、例えば半導体基板の表面にスパッタリング或いは蒸
着とフォトリソグラフ及びエッチング工程の繰り返しに
よりバイモルフ構造を形成した後、上記半導体基板にエ
ッチングを施して、上記バイモルフ構造をカンチレバー
状に支持させるものである。勿論、予め半導体基板上に
カンチレバー構造を形成した後に、マスク蒸着乃至マス
クスパッタリング等の手段によってカンチレバー上に所
望の材料を積層しバイモルフ構造を形成することも可能
である。可撓部の製造方法は本発明を何等制限するもの
ではない。また、ダンパー機構の効果は可撓部の駆動方
法に影響されるものではなく、本発明は駆動方法の選択
性をも制限するものではない。
【００１７】また、上記プローブユニットにおいて、ダ
ンパー機構は、基板上に形成されたカンチレバー下方空
隙部７を他の媒体で塞ぐようにして実現される。すなわ
ち、空隙部内に気体（例えば空気）を充填し、そのダン
ピング作用により、或いは気体がバネとして働くことで
カンチレバーの固有振動数をより高域にシフトする効果
により、カンチレバー３の寄生振動等を抑制するもので
ある。
ンパー機構は、基板上に形成されたカンチレバー下方空
隙部７を他の媒体で塞ぐようにして実現される。すなわ
ち、空隙部内に気体（例えば空気）を充填し、そのダン
ピング作用により、或いは気体がバネとして働くことで
カンチレバーの固有振動数をより高域にシフトする効果
により、カンチレバー３の寄生振動等を抑制するもので
ある。
【００１８】この時、該空隙部７と外部を連通する部分
を狭めることによって、空隙部に気体を閉じ込め、また
速度成分の抵抗増加が図れる。尚、特開平２−２８２９
４５号公報に示される様に、プローブユニット自体を密
閉系中に収めることは容易で、この時、空隙部も含めて
密閉系に空気以外の気体、或いは液体を充填することに
よってダンパー特性を制御することも可能である。
を狭めることによって、空隙部に気体を閉じ込め、また
速度成分の抵抗増加が図れる。尚、特開平２−２８２９
４５号公報に示される様に、プローブユニット自体を密
閉系中に収めることは容易で、この時、空隙部も含めて
密閉系に空気以外の気体、或いは液体を充填することに
よってダンパー特性を制御することも可能である。
【００１９】従来、プローブユニットが振動等に敏感な
特性を示したのは主として、カンチレバー３が微小サイ
ズで形成されていることに起因するからである。即ち、
実用上梁の長手方向の長さが数１０μｍ〜数１００μｍ
程度であるため、その振動に対するＱ値が１０〜１００
と極めて高い値を有し、外来振動乃至はカンチレバー自
身の挙動によって寄生振動が生じていた。本発明はカン
チレバー部にダンパー機構を設けることによって、本来
不要とされる変位を抑止し、制御性の高いプローブユニ
ットを提供するものである。
特性を示したのは主として、カンチレバー３が微小サイ
ズで形成されていることに起因するからである。即ち、
実用上梁の長手方向の長さが数１０μｍ〜数１００μｍ
程度であるため、その振動に対するＱ値が１０〜１００
と極めて高い値を有し、外来振動乃至はカンチレバー自
身の挙動によって寄生振動が生じていた。本発明はカン
チレバー部にダンパー機構を設けることによって、本来
不要とされる変位を抑止し、制御性の高いプローブユニ
ットを提供するものである。
【００２０】更に、空隙部７及びカンチレバーを形成す
る圧電バイモルフ構造の作製には、従来公知の半導体製
造技術を適用することができ、再現性の高い形状、及び
所望の特性を容易に得ることが可能である。
る圧電バイモルフ構造の作製には、従来公知の半導体製
造技術を適用することができ、再現性の高い形状、及び
所望の特性を容易に得ることが可能である。
【００２１】また、媒体と対向させた１個ないし複数個
のプローブを独立に駆動して、媒体への情報の書き込み
及び書き込んだ情報の消去、又は媒体からの情報の読み
出し、又は媒体への情報の書き込み及び読み出し及び消
去を行う各々の情報処理装置において、プローブユニッ
トとして上記のようなダンパー機構を有するものを用い
た情報処理装置とすることによって、上記目的を達成す
ることができる。
のプローブを独立に駆動して、媒体への情報の書き込み
及び書き込んだ情報の消去、又は媒体からの情報の読み
出し、又は媒体への情報の書き込み及び読み出し及び消
去を行う各々の情報処理装置において、プローブユニッ
トとして上記のようなダンパー機構を有するものを用い
た情報処理装置とすることによって、上記目的を達成す
ることができる。
【００２２】さらに、試料を対向させた１個ないし複数
個のプローブを独立に駆動して、試料を検査する走査型
トンネル顕微鏡において、プローブユニットとして上記
のようなダンパー機構を有するものを用いた走査型トン
ネル顕微鏡とすることによって、上記目的を達成するこ
とができる。
個のプローブを独立に駆動して、試料を検査する走査型
トンネル顕微鏡において、プローブユニットとして上記
のようなダンパー機構を有するものを用いた走査型トン
ネル顕微鏡とすることによって、上記目的を達成するこ
とができる。
【００２３】
【実施例】上記プローブユニット及びダンパー機構につ
いて、以下実施例を用いて詳細な説明を行う。
いて、以下実施例を用いて詳細な説明を行う。
【００２４】実施例１ 図面を参照して本実施例を説明する。図１は本実施例の
プローブユニット外観の斜視図である。この該プローブ
ユニットは、金属電極とＺｎＯ誘電体を交互に積層した
圧電バイモルフ構造からなる幅１００μｍ、長さ５００
μｍのカンチレバー３、及びカンチレバー３の自由端に
設けたプローブ電極４から構成される。かかるプローブ
ユニットを用いれば、圧電体に電圧を印加することによ
ってカンチレバー３を基板面と直交する方向（Ｚ方向）
に撓ませ、プローブ位置をＺ方向に変位させることがで
きる。更に、カンチレバー３は基板の空隙部７上に形成
されており、本実施例においてはこの空隙部内に大気を
充填するものである。該バイモルフ及びダンパー機構の
形成手順は図２を用いて以下に説明する。
プローブユニット外観の斜視図である。この該プローブ
ユニットは、金属電極とＺｎＯ誘電体を交互に積層した
圧電バイモルフ構造からなる幅１００μｍ、長さ５００
μｍのカンチレバー３、及びカンチレバー３の自由端に
設けたプローブ電極４から構成される。かかるプローブ
ユニットを用いれば、圧電体に電圧を印加することによ
ってカンチレバー３を基板面と直交する方向（Ｚ方向）
に撓ませ、プローブ位置をＺ方向に変位させることがで
きる。更に、カンチレバー３は基板の空隙部７上に形成
されており、本実施例においてはこの空隙部内に大気を
充填するものである。該バイモルフ及びダンパー機構の
形成手順は図２を用いて以下に説明する。
【００２５】先ず、シリコン半導体基板１表面に絶縁膜
として膜厚５００ｎｍの窒化シリコン膜２を高周波スパ
ッタにより形成した（図２（ａ））。次にフォトリソ工
程を経て該窒化膜に開口部８（幅１μｍ）を設けた後、
金属電極と圧電体の積層構造から成る圧電体バイモルフ
を窒化膜上に形成した（図２（ｂ）〜（ｅ））。電極材
料としては、下地電極９にＣｒを下引きとしたＡｕを用
い、中間電極１０および上部電極１１にはＡｌを用い
た。また、圧電体層１２には高周波スパッタによって堆
積したＺｎＯ（膜厚１．２μｍ）を用いた。更に、以上
のようにして作製したバイモルフ素子全体を、スパッタ
法により堆積した窒化シリコン膜から成る保護層１３で
被覆した後に、蒸着Ａｕで構成される円錐状の突起を有
するプローブ４の形成を行った。更に、ＫＯＨ水溶液を
エッチャントとした異方性エッチングを基板下部より行
い、開口部８に空隙部７を設けた（図２（ｆ））。しか
る後に、基板裏面にシリコンウエハからなる被覆板１４
を接着し、基板表面から裏面へ貫通した孔の裏面側を塞
ぐことによって、図３に断面概略を示すプローブユニッ
トを得た。尚、所望の空隙部容積を実現する為に、裏面
から接着した被覆板１４にはあらかじめ突起部を設け
た。ここで、空隙部７の寸法について述べると、空隙部
容積（Ｖ）５×１０-13ｍ3〜２×１０-12ｍ3、開口部面
積（ａ）１×１０-9ｍ2〜８×１０-9ｍ2、空隙部底面積
（Ａ）５×１０-8ｍ2〜５×１０-7ｍ2である。尚、この
ときのカンチレバーの振動質量は２×１０-9ｋｇであ
る。
として膜厚５００ｎｍの窒化シリコン膜２を高周波スパ
ッタにより形成した（図２（ａ））。次にフォトリソ工
程を経て該窒化膜に開口部８（幅１μｍ）を設けた後、
金属電極と圧電体の積層構造から成る圧電体バイモルフ
を窒化膜上に形成した（図２（ｂ）〜（ｅ））。電極材
料としては、下地電極９にＣｒを下引きとしたＡｕを用
い、中間電極１０および上部電極１１にはＡｌを用い
た。また、圧電体層１２には高周波スパッタによって堆
積したＺｎＯ（膜厚１．２μｍ）を用いた。更に、以上
のようにして作製したバイモルフ素子全体を、スパッタ
法により堆積した窒化シリコン膜から成る保護層１３で
被覆した後に、蒸着Ａｕで構成される円錐状の突起を有
するプローブ４の形成を行った。更に、ＫＯＨ水溶液を
エッチャントとした異方性エッチングを基板下部より行
い、開口部８に空隙部７を設けた（図２（ｆ））。しか
る後に、基板裏面にシリコンウエハからなる被覆板１４
を接着し、基板表面から裏面へ貫通した孔の裏面側を塞
ぐことによって、図３に断面概略を示すプローブユニッ
トを得た。尚、所望の空隙部容積を実現する為に、裏面
から接着した被覆板１４にはあらかじめ突起部を設け
た。ここで、空隙部７の寸法について述べると、空隙部
容積（Ｖ）５×１０-13ｍ3〜２×１０-12ｍ3、開口部面
積（ａ）１×１０-9ｍ2〜８×１０-9ｍ2、空隙部底面積
（Ａ）５×１０-8ｍ2〜５×１０-7ｍ2である。尚、この
ときのカンチレバーの振動質量は２×１０-9ｋｇであ
る。
【００２６】以上のようにして作製したプローブユニッ
トを図４に示す情報の記録、再生及び消去の機能を併有
する情報処理装置に設置し、記録媒体としては特開昭６
３−１６１５５２号公報及び特開昭６３−１６１５５３
号公報に開示されているＡｕ電極上にポリイミドＬＢ膜
（２層膜）を積層したものを用い、記録、再生及び消去
の実験を行った。かかる装置において、１７及び１８は
Ｚ方向の粗動を行う駆動部及び変位機構部であり、微動
は前記カンチレバーの可撓範囲によって行う。ＸＹ方向
の駆動に関しては２０が粗動、２３が微動機構として働
く。Ｚ方向変位はサーボ制御されており、バイアス電源
２５によって試料２６とプローブ４間に直流バイアス電
圧を印加し、プローブに流れる電流値と目標値との誤差
信号をマイクロコンピュータ１５が計算し、駆動回路２
４によってカンチレバー３の変位を行うものである。か
かる装置においてＸＹ方向にプローブを走査しながら、
バイアス電圧（０．１Ｖ）に波高値−６Ｖ及び＋１．５
Ｖの連続したパルス波を重畳した電圧を試料／プローブ
間に印加することで電気的な情報の書き込みを行った。
更に、得られるＳＴＭ像から記録情報の読み出しを行っ
た結果、記録情報と再生情報が再現性良く一致する事を
確かめた。また、試料上の記録を行った領域にプローブ
が接近した時点で、波高値３Ｖのパルス電圧をバイアス
電圧に重畳する操作を行ったところ、再生されるＳＴＭ
像から記録された情報が消去されたことを確認した。
トを図４に示す情報の記録、再生及び消去の機能を併有
する情報処理装置に設置し、記録媒体としては特開昭６
３−１６１５５２号公報及び特開昭６３−１６１５５３
号公報に開示されているＡｕ電極上にポリイミドＬＢ膜
（２層膜）を積層したものを用い、記録、再生及び消去
の実験を行った。かかる装置において、１７及び１８は
Ｚ方向の粗動を行う駆動部及び変位機構部であり、微動
は前記カンチレバーの可撓範囲によって行う。ＸＹ方向
の駆動に関しては２０が粗動、２３が微動機構として働
く。Ｚ方向変位はサーボ制御されており、バイアス電源
２５によって試料２６とプローブ４間に直流バイアス電
圧を印加し、プローブに流れる電流値と目標値との誤差
信号をマイクロコンピュータ１５が計算し、駆動回路２
４によってカンチレバー３の変位を行うものである。か
かる装置においてＸＹ方向にプローブを走査しながら、
バイアス電圧（０．１Ｖ）に波高値−６Ｖ及び＋１．５
Ｖの連続したパルス波を重畳した電圧を試料／プローブ
間に印加することで電気的な情報の書き込みを行った。
更に、得られるＳＴＭ像から記録情報の読み出しを行っ
た結果、記録情報と再生情報が再現性良く一致する事を
確かめた。また、試料上の記録を行った領域にプローブ
が接近した時点で、波高値３Ｖのパルス電圧をバイアス
電圧に重畳する操作を行ったところ、再生されるＳＴＭ
像から記録された情報が消去されたことを確認した。
【００２７】更に、ＸＹ方向への走査を停止させた状態
でトンネル電流が１００ｐＡ程度流れるまでプローブを
試料に接近させた後、プローブユニットの変位量制御を
行い安定性の検討を行った。具体的には、プローブ位置
（プローブ／試料間距離）のサーボ制御が行われている
状態でトンネル電流目標値を１００ｐＡと１ｎＡの間で
周期的に変化させ、かつこの時、予めサーボ系に直列に
挿入した遮断周波数が可変なプログラマブルフィルタ
（ローパスフィルタ、−１２ｄＢ／ｏｃｔ）の遮断周波
数を変化させ、サーボ系が不安定になる、換言すればト
ンネル電流の実測値が減衰振動ないし発振を起こし始め
る周波数の観察を行った。その結果、遮断周波数が３〜
５ＫＨｚに達する領域においても安定な変位制御が可能
であることを確認した。但し、かかる周波数は試料の支
持台まで含めた装置全体の機械的固有振動数（約８〜１
０ＫＨｚ）による影響を大きく受けており、本実施例の
プローブユニット単体での応答周波数は更に高いと考え
られる。
でトンネル電流が１００ｐＡ程度流れるまでプローブを
試料に接近させた後、プローブユニットの変位量制御を
行い安定性の検討を行った。具体的には、プローブ位置
（プローブ／試料間距離）のサーボ制御が行われている
状態でトンネル電流目標値を１００ｐＡと１ｎＡの間で
周期的に変化させ、かつこの時、予めサーボ系に直列に
挿入した遮断周波数が可変なプログラマブルフィルタ
（ローパスフィルタ、−１２ｄＢ／ｏｃｔ）の遮断周波
数を変化させ、サーボ系が不安定になる、換言すればト
ンネル電流の実測値が減衰振動ないし発振を起こし始め
る周波数の観察を行った。その結果、遮断周波数が３〜
５ＫＨｚに達する領域においても安定な変位制御が可能
であることを確認した。但し、かかる周波数は試料の支
持台まで含めた装置全体の機械的固有振動数（約８〜１
０ＫＨｚ）による影響を大きく受けており、本実施例の
プローブユニット単体での応答周波数は更に高いと考え
られる。
【００２８】尚、本実施例ではプローブユニットを情報
処理装置に設置したが、何等変更することなくＳＴＭ等
の走査型トンネル電流検知装置用のプローブユニットと
して適用することができる。
処理装置に設置したが、何等変更することなくＳＴＭ等
の走査型トンネル電流検知装置用のプローブユニットと
して適用することができる。
【００２９】実施例２ ダンパー機構以外は実施例１と全く同様の製造方法でプ
ローブユニットの作製を行った。但しこの時、ＫＯＨに
よる異方性エッチングを基板上部より行い、エッチング
時間を制御することによって裏面まで貫通していない空
隙部７を形成し、図５に断面概略を示すプローブユニッ
トを得た。ここで、空隙部７の深さは１２μｍ、空隙部
容積（Ｖ）７×１０-13ｍ3、開口部面積（ａ）４×１０
-9ｍ2であった。
ローブユニットの作製を行った。但しこの時、ＫＯＨに
よる異方性エッチングを基板上部より行い、エッチング
時間を制御することによって裏面まで貫通していない空
隙部７を形成し、図５に断面概略を示すプローブユニッ
トを得た。ここで、空隙部７の深さは１２μｍ、空隙部
容積（Ｖ）７×１０-13ｍ3、開口部面積（ａ）４×１０
-9ｍ2であった。
【００３０】以上のようにして作製したプローブユニッ
トを用いて実施例１同様、情報処理装置に設置した状態
で変位制御の安定性を検討した。その結果、やはり１〜
５ＫＨｚのＰ周波数帯域においても安定なサーボ制御が
行えることを確かめた。ダンパー機構の形成方法に関し
て、本実施例で示した方法は実施例１と比較して工程の
簡略化が図られているが、ダンパー特性として同程度の
効果が得られたことが分かる。
トを用いて実施例１同様、情報処理装置に設置した状態
で変位制御の安定性を検討した。その結果、やはり１〜
５ＫＨｚのＰ周波数帯域においても安定なサーボ制御が
行えることを確かめた。ダンパー機構の形成方法に関し
て、本実施例で示した方法は実施例１と比較して工程の
簡略化が図られているが、ダンパー特性として同程度の
効果が得られたことが分かる。
【００３１】比較例 ダンパー機構を持たないプローブユニットを作製し、評
価を行った（図６）。プローブの作製工程は実施例２と
同様であるが、窒化膜開口部の幅を２０μｍとし、基板
と可撓部との間隙を充分に大きくした結果、ダンパー効
果の著しく小さいプローブユニットを得た。評価は実施
例２と同様、作製したプローブユニットを用いて記録再
生が安定に行えることを確認した後に、サーボ系の目標
値を変化させ制御系の安定性を検討した。
価を行った（図６）。プローブの作製工程は実施例２と
同様であるが、窒化膜開口部の幅を２０μｍとし、基板
と可撓部との間隙を充分に大きくした結果、ダンパー効
果の著しく小さいプローブユニットを得た。評価は実施
例２と同様、作製したプローブユニットを用いて記録再
生が安定に行えることを確認した後に、サーボ系の目標
値を変化させ制御系の安定性を検討した。
【００３２】その結果、トンネル電流目標値を１００ｐ
Ａと１ｎＡの間で周期的に変化させた場合、系が安定に
動作するためにはローパスフィルタの遮断周波数は１０
〜３０Ｈｚ以下である必要があった。変化させるトンネ
ル電流目標値を１００ｐＡと３００ｐＡの範囲に限る
と、安定動作が観察される前記遮断周波数を高くするこ
とができるが、１００Ｈｚ程度でありＫＨｚオーダでの
安定動作は実現しなかった。
Ａと１ｎＡの間で周期的に変化させた場合、系が安定に
動作するためにはローパスフィルタの遮断周波数は１０
〜３０Ｈｚ以下である必要があった。変化させるトンネ
ル電流目標値を１００ｐＡと３００ｐＡの範囲に限る
と、安定動作が観察される前記遮断周波数を高くするこ
とができるが、１００Ｈｚ程度でありＫＨｚオーダでの
安定動作は実現しなかった。
【００３３】
【発明の効果】本発明によれば、極めて簡便な製造工程
を付加することによって、高速応答が可能で、かつ外乱
の存在下での目標値追従が安定に行われる精密な変位制
御を可能とするプローブユニットを提供することができ
る。また、本発明のプローブユニットは、外来の振動に
対して安定であることから、除震機構の省略ないし簡易
化が図れ、該プローブユニットを設置する機器全体の小
型化に適している。その結果、除震機構の簡便化による
経済的な面での効果も期待される。
を付加することによって、高速応答が可能で、かつ外乱
の存在下での目標値追従が安定に行われる精密な変位制
御を可能とするプローブユニットを提供することができ
る。また、本発明のプローブユニットは、外来の振動に
対して安定であることから、除震機構の省略ないし簡易
化が図れ、該プローブユニットを設置する機器全体の小
型化に適している。その結果、除震機構の簡便化による
経済的な面での効果も期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例のプローブユニット外観
の斜視図を示す。
の斜視図を示す。
【図２】カンチレバーおよびダンパー機構形成の主要工
程を示すプローブユニット断面図を示す。
程を示すプローブユニット断面図を示す。
【図３】本発明の第１の実施例のプローブユニットの断
面概略図を示す。
面概略図を示す。
【図４】情報処理装置の構成を示す概略図である。
【図５】本発明の第２の実施例のプローブユニットの断
面概略図を示す。
面概略図を示す。
【図６】従来のプローブユニット外観の斜視図である。
１ シリコン基板 ２ 窒化シリコン膜 ３ カンチレバー ４ プローブ ５ カンチレバー型プローブ ７ 空隙部 ８ 開口部 ９ 下地電極 １０ 中間電極 １１ 上部電極 １２ 圧電体層 １３ 保護層 １４ 被覆板 １５ マイクロコンピュータ １６ 表示装置 １７ Ｚ方向粗動駆動回路 １８ Ｚ方向粗動機構 １９ ＸＹ方向粗動駆動回路 ２０ ＸＹ方向粗動機構 ２１ ＸＹステージ ２２ 走査駆動回路 ２３ ＸＹ方向微動走査機構 ２４ サーボ回路及びプローブ駆動回路 ２５ バイアス電圧源及びプローブ電流増幅器 ２６ 試料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高松 修 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４−78037（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−143943（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G11B 9/00 G01N 37/00 G11B 9/04 H01J 37/28 G01B 7/34 G01B 21/30
Claims (6)
- 【請求項１】 基板上に形成された梁状の可撓部及び該
可撓部の自由端側にプローブを有し、かつ前記プローブ
を少なくとも基板面と垂直方向に変位させる駆動手段か
ら構成されるプローブユニットにおいて、前記可撓部が
基板上に形成された空隙部を塞ぐようにして形成されて
おり、該空隙部と外部を連通する部分が狭められている
ことを特徴とするプローブユニット。 - 【請求項２】 前記空隙部が気体によって満たされてい
ることを特徴とする請求項１に記載のプローブユニッ
ト。 - 【請求項３】 媒体と対向させた１個ないし複数個のプ
ローブを独立に駆動し、媒体への情報の書き込み及び書
き込んだ情報の消去を行う情報処理装置において、プロ
ーブユニットとして、請求項１又は２に記載のプローブ
ユニットを具備したことを特徴とする情報処理装置。 - 【請求項４】 媒体と対向させた１個ないし複数個のプ
ローブを独立に駆動して媒体からの情報の読み出しを行
う情報処理装置において、プローブユニットとして、請
求項１又は２に記載のプローブユニットを具備したこと
を特徴とする情報処理装置。 - 【請求項５】 媒体と対向させた１個ないし複数個のプ
ローブを独立に駆動し媒体への情報の書き込み、読み出
し及び消去を行う情報処理装置において、プローブユニ
ットとして、請求項１又は２に記載のプローブユニット
を具備したことを特徴とする情報処理装置。 - 【請求項６】 試料と対向させた１個ないし複数個のプ
ローブを独立に駆動して、試料を検査する走査型トンネ
ル顕微鏡において、プローブユニットとして、請求項１
又は２に記載のプローブユニットを具備したことを特徴
とする走査型トンネル顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3518791A JP2890268B2 (ja) | 1991-02-05 | 1991-02-05 | プローブユニット及びこれを用いた情報処理装置と走査型トンネル顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3518791A JP2890268B2 (ja) | 1991-02-05 | 1991-02-05 | プローブユニット及びこれを用いた情報処理装置と走査型トンネル顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04254930A JPH04254930A (ja) | 1992-09-10 |
| JP2890268B2 true JP2890268B2 (ja) | 1999-05-10 |
Family
ID=12434850
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3518791A Expired - Fee Related JP2890268B2 (ja) | 1991-02-05 | 1991-02-05 | プローブユニット及びこれを用いた情報処理装置と走査型トンネル顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2890268B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8650660B2 (en) | 2008-11-13 | 2014-02-11 | Bruker Nano, Inc. | Method and apparatus of using peak force tapping mode to measure physical properties of a sample |
| US8739309B2 (en) | 2008-11-13 | 2014-05-27 | Bruker Nano, Inc. | Method and apparatus of operating a scanning probe microscope |
| US10845382B2 (en) | 2016-08-22 | 2020-11-24 | Bruker Nano, Inc. | Infrared characterization of a sample using oscillating mode |
-
1991
- 1991-02-05 JP JP3518791A patent/JP2890268B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04254930A (ja) | 1992-09-10 |
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