JPH05264211A - 微小プローブ素子、及び集積化微小プローブ素子、及びこれらを用いた走査型トンネル顕微鏡並びに情報処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 信頼性の高い微小プローブ素子及びこれを用
いた走査型トンネル顕微鏡並びに情報処理装置を提供す
る。 【構成】 シリコン基板上に、探針を有するはりと、該
探針を駆動するための圧電体よるなる変位発生部とを具
備し、該変位発生部の変位を該探針に伝達するオイルを
シリンダ内に注入してなる微小プローブ素子では、小型
でありながら大きな変位を得ることができるとともに、
反りのない信頼性の高い素子となる。また上記微小プロ
ーブ素子を用いた走査型トンネル顕微鏡、情報処理装置
は高速処理が可能で、かつ信頼性の高い装置となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネル電流検出装置
や走査型トンネル顕微鏡等に用いられる、微小プローブ
素子、及びこれを用いた情報処理装置に関する。

【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．Ｂｉｎｎｉｇ ｅｔ ａ
ｌ．， Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．４９（１９８
２）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。更に現在、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，４ｔｈ．Ｉｎ
ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ
Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｙ／Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，’８９，Ｓ１
３−３）、及び情報処理装置等のさまざまな分野への応
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等で
は大容量を有する記録再生装置の要求がますます高まっ
ており、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ために記録再
生装置の小型化が望まれている。これらの要求を満たす
目的で、記録媒体との間隔を微調整可能な駆動手段上に
存在するトンネル電流発生用プローブからなる変換器か
ら電圧印加することによって記録媒体表面の仕事関数を
変化させることにより記録書き込みし、仕事関数の変化
によるトンネル電流の変化を検知することにより情報の
読み出しを行ない、最小記録面積が１０ｎｍ平方となる
情報処理装置が提案されている。

【０００４】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
等のタイプがある。

【０００５】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７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．Ａｌｂｒｅ
ｃｈｔ，”Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆ Ｉ
ｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ
ｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ
ｇ ｏｆ ４ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏ
ｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎ
ｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ／Ｓｐｅｃｔｒｏｓ
ｃｏｐｙ，’８９，Ｓ１０−２）。

【０００６】図７は上記カンチレバーの斜視図である。
基板１上に２分割電極７１ａ，７１ｂ−ＺｎＯ圧電体７
２ａ−中電極７３−ＺｎＯ圧電体７２ｂ−２分割電極７
４ａ，７４ｂ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
には金属等の探針５が接着等により取りつけられ、引き
出し電極７５を介してトンネル電流を検知する。このカ
ンチレバーは、バイモルフ構成を持つため、とりわけ上
下方向に大きな変位量を得ることができるという優れた
特性を持つ。

【０００７】またこのようなマイクロマシーニング技術
により圧電体バイモルフ構成で形成される探針駆動機構
は微細にでき、情報処理装置の情報の書き込み、読み出
しの速度を向上させるに要求されるプローブの複数化を
容易にすることが可能となる。更に、この方法は、圧電
体材料の薄膜技術を利用している点で、Ｓｉ半導体を主
流とするＩＣプロセスにそのまま組み込むことができ、
優れた方法といえる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７に
示した従来の装置の作製においてはたくさんの層の電極
及び圧電体の積層を行な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、Ｓｉ基
板をエッチング除去して作製するカンチレバーは各々の
層の膜厚、応力に依存して電極と圧電体の界面における
膜はがれや、カンチレバー先端の反りが発生することが
あったためである。このため再現性良く作製するには、
非常に高度な技術が必要であった。

【０００９】また、前述のトライボッド型や円筒型の圧
電変位素子においては集積化などのために小型化した場
合、大きな変位を得ることができなかったり、作製が困
難であったりするという問題点があった。

【００１０】以上のような従来例の問題点に鑑み、本発
明の目的とするところは、小型でありながら大きな変位
が得られ、かつ、反りのない、信頼性の高い微小プロー
ブ素子を簡易な技術で再現性良く作製し提供することに
ある。

【００１１】また、本発明の目的は、上記微小プローブ
素子を用いた信頼性の高い走査型トンネル顕微鏡並びに
情報処理装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段及び作用】上記課題は、以
下に述べる本発明によって解決される。

【００１３】即ち、本発明の第一は、探針と該探針を駆
動するための変位発生部を具備し、該変位発生部の変位
を液体を介して該探針に伝達する構成を持つことを特徴
とする微小プローブ素子であり、さらには上記微小プロ
ーブ素子を、同一基板上に複数配置したことを特徴とす
る集積化微小プローブ素子である。

【００１４】また、本発明の第二は、上記本発明第一の
微小プローブ素子を用いたことを特徴とする走査型トン
ネル顕微鏡である。

【００１５】また本発明の第三は、トンネル電流を用い
て記録媒体に対して情報の記録、再生、消去を行なう情
報処理装置において、上記本発明第一の微小プローブ素
子を用いたことを特徴とする情報処理装置である。

【００１６】本発明の微小プローブ素子の一例を図１に
示す。図１（ａ）は基板上に本素子を作製したものを概
略的に示した断面図であり、図１（ｂ）は本素子の主要
構成部であるシリンダー部とピストン部を概略的に示し
た斜視図である。

【００１７】図中、１ａ，１ｂ，１ｃはいずれも基板で
あり、これらを加工してシリンダが内部に形成されてい
る。２はピストンの役割を兼ねている圧電体などの変位
発生部、３は変位発生部２の変位を伝達するための液
体、４はピストンの役割を兼ねているはり、５は探針で
ある。

【００１８】本図の微小プローブ素子の動作の概略を以
下に述べる。変位発生部２で発生した変位は基板１ａ，
１ｂ，１ｃの内部に形成されたシリンダ内に密封された
液体３を介してはり４に伝達される。この際、変位発生
部２とはり４の部分のシリンダの断面積の比により変位
は拡大（図１の場合）、あるいは縮小される。はり４に
は探針５が取りつけられており、探針５に上記変位は伝
達される。

【００１９】次に図１の微小プローブ素子の作製方法の
概略を述べる。まず基板１ｂ，１ｃを、組み立てた時に
所望のシリンダ形状が得られるように加工し、圧電体な
どよりなる変位発生部２を組み込む。また、はり４を作
製し、探針５を取りつける。その後はり４の一端をシリ
ンダに挿入する形で基板１ｂと基板１ｃを接着して挟み
込む。最後にシリンダ内に液体３を注入した後、基板１
ａを接着してシリンダを密封し、素子を作製する。

【００２０】なお、本発明の微小プローブ素子の作製方
法は上記に限定されるものではなく、例えば、上記シリ
ンダ形状の形成には、基板の加工と貼り合わせによって
作製する方法、型抜きによる方法、削り出しによる方法
などが適用でき、その方法は限定されないが、特にフォ
トリソグラフィーとエッチングにより基板を加工して作
製する方法は微小なシリンダを多数作製するのに好適で
ある。また上記基板及びはり４の材料は特に限定される
ものではなく、加工性の良いガラス、金属、あるいはま
たシリコンなどの半導体などが適している。

【００２１】また、本発明の微小プローブ素子の変位発
生部２は、圧電体の逆圧電効果、静電力、磁力、加熱に
よる膨張収縮や液体の気化などの力により変位を発生す
るものが適用でき、これらの変位を制御できるものであ
れば特に限定されるものではない。

【００２２】また上記変位を伝達するための液体３はオ
イルや水等を使用するが、使用の条件において粘度など
の特性が適当なものであれば特にこれに限定されるもの
ではない。

【００２３】また、本発明の微小プローブ素子の探針５
は、材料としてはＰｔ，Ａｕ，Ｒｈ，Ｐｄなどの貴金属
や、Ｗなどの金属、これらの合金類、あるいはＴｉＣな
どが用いられる。上記探針は上記材料の小片を接着した
り、上記材料の薄膜を堆積したりした後、必要であれば
エッチングや電解研磨などで所望の形態に加工し作製す
ることができる。

【００２４】上記本発明の微小プローブ素子は、複雑な
層構成を持たないため、反りなどの問題がなく作製時の
歩留まりが高い。またシリンダの断面積の比を変えてや
ることで変位発生部の変位の大きさを所望の大きさに変
えて探針に伝達することができるため、変位発生部で得
られる変位が小さい場合も大きな変位を探針に与えるこ
とができる。

【００２５】次に上記の本発明による微小プローブ素子
を用いた走査型トンネル顕微鏡のブロック図の一例を図
２に示す。本装置では微小プローブ素子２１にて試料２
２に探針５を近づけたのち（図のＺ方向）、試料２２の
面内のｘ方向、ｙ方向をｘ−ｙステージ２３にて走査
し、探針５と試料２２にバイアス電圧印加回路２４より
電圧を加え、そのとき観察されるトンネル電流をトンネ
ル電流検出回路２５で読み出し、像観察を行なう。試料
２２と探針５の間隔制御とｘ−ｙステージ２３の駆動制
御は駆動制御回路２６にて行なう。これら回路のシーケ
ンス制御はＣＰＵ２７にて行う。

【００２６】具体的には、探針５を試料２２の表面へ接
近させたとき、この表面が導電性を持つ場合、探針５と
試料２２との距離が数ｎｍ程度まで近づくと探針５と試
料２２との間にトンネル電流が流れる。このトンネル電
流は、探針５の先端と試料２２との距離により指数関数
的に変化するため、このトンネル電流をトンネル電流検
出回路２５で取出して増幅を行ない微小プローブ素子２
１の駆動電圧にフィードバックをかけることにより、探
針５の先端と試料２２の表面までの距離を一定に保つこ
とができる。この様な状態で微小プローブ素子２１を
ｘ，ｙ方向に微小に変位させることにより、フィードバ
ック電圧の変化により極微小表面の凹凸を観察すること
が可能である。

【００２７】また、図には示していないが、ｘ−ｙステ
ージ２３による走査の機構としては、円筒型ピエゾアク
チュエーター、平行バネ、作動マイクロメータ、ボイス
コイル、インチウォームなどの制御機構を用いて行な
う。

【００２８】次に本発明による微小プローブ素子を、同
一の基板上に複数作製した集積化微小プローブ素子を用
いた、情報の記録・再生等を行なえる情報処理装置の模
式図の一例を示す。

【００２９】同図において、３１は電圧印加により抵抗
値が変化する記録層、３２は金属電極層、３３は記録媒
体基板である。３４はＸＹステージ、３５は本発明によ
る集積化微小プローブ素子、３６は集積化微小プローブ
素子３５の支持体、３７は集積化微小プローブ素子３５
をＺ方向へ粗動するためのリニアアクチュエーター、３
８，３９はＸＹステージ３４をそれぞれＸ，Ｙ方向へ駆
動するリニアアクチュエーター、４０は記録再生用のバ
イアス回路である。４１はトンネル電流検出回路、４２
は集積化微小プローブ素子３５をＺ方向に移動させるた
めのサーボ回路であり、４３はアクチュエーター３７を
駆動するためのサーボ回路である。４４は個々の微小プ
ローブ素子を微小変位させるための駆動回路であり、４
５はＸＹステージ３４の位置制御を行なう駆動回路であ
る。４６はこれらの操作を制御するＣＰＵである。

【００３０】このようなシステムを用い上述の走査型ト
ンネル顕微鏡とほぼ同様の動作を行なうことにより、ｎ
ｍオーダーの記録密度の大容量・高密度な記録、再生、
消去を行なうことが可能となり、また本図のように集積
化された微小プローブ素子を同時に走査することによ
り、高速度の記録再生等を行なうことが可能である。

【００３１】

【実施例】次に実施例を用いて本発明を具体的に詳述す
る。

【００３２】実施例１ 本実施例は、図１に示した本発明による微小プローブ素
子に関連するものである。

【００３３】本実施例で作製した微小プローブ素子の作
製方法を以下に述べる。まずはじめに基板１ｂ，１ｃ
を、後の貼り合わせにより図１に示したような所望のシ
リンダの形状になるように加工した。基板１ｂ，１ｃの
材料としてはシリコンを用い、フォトリソグラフィーと
水酸化カリウム水溶液によるエッチングにより加工を行
なった。これにＰＺＴ圧電体よりなる変位発生部２を組
み込んだ。また基板１ｂ，１ｃと同様の方法、材料では
り４を作製し、図には示していないが、引き出し電極を
形成後に探針５を取りつけた。探針５はＰｔ，Ｒｈ，Ｗ
などの金属片を接着もしくは金属膜を堆積、加工して、
針状に形成したものである。

【００３４】次に探針５を取りつけたはり４の一端を図
に示したようにシリンダに挿入する形で基板１ｂと１ｃ
を接着して挟み込む。他の一端は、図のＸ方向に自由に
動けるようにして、基板１ｂ，１ｃに溝を設けて挟み込
んだ。最後に上記シリンダ内に液体３を注入した後基板
１ａを接着して密封した。基板１ａはシリコンを用い、
液体３としては本実施例では不燃性のリン酸エステル系
作動油等のオイルを用いた。以上のようにして微小プロ
ーブ素子を作製した。

【００３５】また上記素子の組立てには、微小なマニピ
ュレーターを用いた。このマニピュレーターは、機械式
のものに加えて、素子が微小な場合には圧電素子を用い
たマイクロマニピュレーターを用いることができる
（Ｔ．ＯＨＮＩＳＨＩ ｅｔ．ａｌ．Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐ
ｐｌ．Ｐｈｙｓ．２９（１９９０）Ｌ１８８）。

【００３６】本実施例で作製した微小プローブ素子の主
要構成寸法等を以下に示す。

【００３７】・はり４の長さ ４ｍｍ ・はり４の断面 ０．２ｍｍ×０．２ｍｍ ・シリンダ部の断面 ４ｍｍ×４ｍｍ 本実施例の微小プローブ素子においては図中ｘ方向に大
きな変位を得ることができ、例えば圧電体よりなる変位
発生部２に１０Ｖの電圧を印加することで、探針５は図
のＸ方向に±１μｍ変位した。

【００３８】次に上記の微小プローブ素子を用いて、図
２に示した走査型トンネル顕微鏡を作製した。

【００３９】この装置にて、試料２２にＨＯＰＧ（グラ
ファイト）板を用いて表面観察を行なった。バイアス電
圧印加回路２４にて２００ｍＶの直流電圧を探針５と試
料２２の間に加え、この状態で試料２２に沿って探針５
を走査してトンネル電流検出回路２５を用いて検出され
る信号より表面観察を行なった。スキャンエリアを０．
５μｍ×０．５μｍ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。このようにＳＴＭの原理による
動作が確認され、表面観察動作が確認された。

【００４０】次に、先述した微小プローブ素子を同一シ
リコン基板の上に複数個作製し、集積化微小プローブ素
子を作製した。かかる集積化微小プローブ素子は先に説
明した作製方法において、フォトリソグラフのパターン
を拡張して作製することができる。

【００４１】次に上記集積化微小プローブ素子を用い
て、図３に示した情報処理装置を作製した。

【００４２】本実施例では、記録媒体基板３３に石英ガ
ラス基板を用い、この上に金属電極３２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Ａ
ｕを３００Å同法により蒸着したものを用い、その上に
ラングミュアー・ブロジェット法によってＳＯＡＺ（ス
クアリリウム−ビス−６−オクチルアズレン）を４層積
層した電気メモリー効果を有する媒体を記録層３１に用
いた。

【００４３】本装置では、プローブ３５を記録層３１に
所定間隔まで近づけ、記録層３１に導電率の変化を生じ
させる閾値を越えた電圧、例えば３Ｖ、幅５０ｎｓの矩
形状のパルス電圧を印加すると、記録層３１が特性変化
を起こし電気抵抗の低い部分が生じる。Ｘ−Ｙステージ
３４を用いて、この操作をプローブ３５で記録層３１上
で走査しながら行なうことによって情報の記録がなされ
る。

【００４４】また記録情報の消去はプローブ３５を記録
層３１上の記録ビットに所定間隔まで近づけ、閾値を越
えた電圧、例えば７Ｖ、幅５０ｎｓの三角波パルス電圧
を印加すると、記録ビットが特性変化を起こして電気抵
抗が記録ビットのない部分と同じ値となり、記録ビット
の消去が行われる。

【００４５】また、記録情報の再生時にはプローブ３５
と記録層３１とを所定間隔にし、記録層３１に導電率の
変化を生じさせる閾値電圧を越えない電圧、例えば２０
０ｍＶの直流電圧をプローブ３５と記録層３１間に加え
る。この状態で記録層３１上の記録データ列に沿ってプ
ローブ３５にて走査中にトンネル電流検出回路４１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
電圧変換することにより再生データ信号を得られる。

【００４６】上記装置により、記録情報の書き込み、読
み出し、消去をｎｍオーダーの記録密度で再現性よく安
定に行なえることが確認できた。

【００４７】尚、情報記録用の記録層３１としては、前
記以外にも、メモリースイッチング現象（電気メモリー
効果）を持つものであれば利用できる。

【００４８】ここで言う電気メモリー効果とは、電圧印
加に対応して少なくとも２つ以上の異なる抵抗状態を示
し、各状態間は記録層の導電率を変化させる閾値を越え
た電圧又は電流を印加することにより自由に遷移し、ま
た得られた各抵抗状態は閾値を越えない電圧又は電流を
印加する限りにおいてその状態を保持し得ることを言
う。

【００４９】実施例２ 本実施例で作製した微小プローブ素子の概略図を図４に
示す。

【００５０】図４（ａ）は基板上に本素子を作製したも
のを概略的に示した断面図であり、図４（ｂ）は本素子
の主要構成部であるシリンダ部とピストン部を概略的に
示した斜視図である。図中１ａ，１ｂ，１ｃはいずれも
基板であり、加工と貼り合わせによりシリンダがその内
部に形成されている。２ａ，２ｂはピストンの役割を兼
ねている変位発生部、３ａ，３ｂは変位発生部２ａ，２
ｂの変位を伝達するための液体、４ａ，４ｂはピストン
の役割を兼ねているはり、５は探針である。

【００５１】本実施例の微小プローブ素子の作製方法を
以下に述べる。まずはじめに基板１ｂ，１ｃを、後の貼
り合わせにより図４に示したような所望のシリンダの形
状になるように加工した。同時に基板１ａも所望のシリ
ンダ形状に加工した。基板１ａ，１ｂ，１ｃの材料とし
てはシリコンを用い、フォトリソグラフィーと水酸化カ
リウム水溶液によるエッチングにより加工を行った。こ
れに圧電体よりなる変位発生部２ａ，２ｂを組み込ん
だ。また基板１ａ，１ｂ，１ｃと同様の方法、材料では
り４ａ，４ｂを作製し、図には示していないが引き出し
電極を形成後に探針５を取りつけた。探針５はＰｔ，Ｒ
ｈ，Ｗなどの金属片を接着もしくは金属膜を堆積、加工
して針状に形成したものである。

【００５２】次に探針５を取りつけたはり４ａの一端を
図に示したようにシリンダに挿入する形で基板１ｂと１
ｃを接着して挟み込んだ。他の一端は、図のＸ方向に自
由に動けるようにして、基板１ｂ，１ｃに溝を設けて挟
み込んだ。次に上記シリンダ内に液体３ａを注入した
後、基板１ａを接着して密封した。この際、図３（ａ）
に示したように、はり４ｂの一端を基板１ａ中に形成し
たシリンダ内に挿入した。その後上記シリンダ内に液体
３ｂを注入し、更に圧電体よりなる変位発生部２ｂを組
み込んで密封した。なお、液体３ａ，３ｂとしては本実
施例ではリン酸エステル系作動油等のオイルを用いた。
以上のようにして微小プローブ素子を作製した。

【００５３】本実施例の微小プローブ素子においては上
記２組のピストン、シリンダにより図のＸ及びＺ方向に
大きな変位を得ることができる。ただし、図４（ｂ）に
示したように本実施例のような微小プローブ素子は２軸
方向への駆動を行なうことができるという特徴を持つ
が、変位を加えた場合に、はり４ａ，４ｂの一部にたわ
みが生じ、変位に対して逆向きに力が発生することより
若干変位量が制約を受ける場合もある。

【００５４】本実施例で作製した微小プローブ素子の主
要構成寸法等を以下に示す。

【００５５】・はり４ａの長さ ４ｍｍ ・はり４ｂの長さ ２ｍｍ ・はり４ａ，４ｂの断面 ０．２ｍｍ×０．２
ｍｍ ・シリンダ部３ａ，３ｂの断面 ３ｍｍ×５ｍｍ このようにして作製した微小プローブ素子は、圧電体よ
りなる変位発生部２ａ，２ｂに１０Ｖの電圧を印加する
ことで、探針５を図のＺ方向に±１μｍ、Ｘ方向に±
０．５μｍ変位した。

【００５６】次に本実施例の微小プローブ素子を用い
て、実施例１と同様の走査型トンネル顕微鏡及び情報処
理装置を作製した。これらの装置を用いて、実施例１と
同様にして表面観察及び情報の記録再生等の実験を行な
ったところ、実施例１と同様に良好な結果が得られた。

【００５７】実施例３ 図５は本実施例で作製した微小プローブ素子を概略的に
示した断面図である。

【００５８】図中１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄはいずれも基
板であり、加工と貼り合わせによりシリンダがその内部
に形成されている。２ａ，２ｂは変位発生部で、本実施
例では加熱により液体を膨張させるためのヒーターであ
る。３ａ，３ｂはヒーターによる加熱で膨張、収縮して
変位を発生するとともに変位を伝達するための液体、４
ａ，４ｂはピストンの役割を兼ねているはり、５は探針
である。なお図には示されないが、素子は外部に設けた
ペルチェ素子等により一定の温度に冷却されて保たれて
おり、ヒーターにより加熱されて膨張した液体３ａ，３
ｂは即座に冷却されてもとの体積に収縮するようになっ
ている。

【００５９】本実施例の微小プローブ素子の作製方法を
以下に述べる。まずはじめに１ｃ，１ｄを、後の貼り合
わせにより図５に示したような所望のシリンダの形状に
なるように加工した。同時に基板１ｂも所望のシリンダ
形状に加工した。基板１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの材料と
しては熱伝導率の高い金属材料を用いフォトリソグラフ
ィーとエッチングにより加工を行なった。さらに基板１
ｂ，１ａにヒーターよりなる変位発生部２ａ，２ｂを組
み込んだ。また基板１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄと同様の方
法、材料ではり４ａ，４ｂを作製し、図には示していな
いが引き出し電極を形成後に探針５を取りつけた。探針
５はＰｔ，Ｒｈ，Ｗなどの金属片を接着もしくは金属膜
を堆積、加工して、針状に形成したものである。

【００６０】次に探針５を取りつけたはり４ａの一端を
図に示したようにシリンダに挿入する形で基板１ｃと１
ｄを接着して挟み込んだ。他の一端は、図のＸ方向に自
由に動けるようにして、基板１ｃ，１ｄに溝を設けて挟
み込んだ。

【００６１】次に上記シリンダ内に液体３ａを注入した
後、基板１ｂを接着して密封した。この際、図５に示し
たように、はり４ｂの一端を基板１ｂ中に形成したシリ
ンダ内に挿入した。その後上記シリンダ内に液体３ｂを
注入し、更にヒーターよりなる変位発生部２ｂを組み込
んだ基板１ａを接着して密封した。なお、液体３ａ，３
ｂとしては本実施例では不燃性のリン酸エステル系作動
油等のオイルを用いた。以上のようにして微小プローブ
素子を作製した。本実施例の微小プローブ素子において
は図のＸ及びＺ方向に大きな変位を得ることができる。

【００６２】本実施例で作製した微小プローブ素子のは
り４ａ，４ｂの長さと断面、各シリンダ部の断面は、実
施例２と同様にした。

【００６３】このようにして作製した微小プローブ素子
は、ヒーターよりなる変位発生部２ａ，２ｂに５Ｖの電
圧を印加することで、探針５を図のＺ方向に±１μｍ、
Ｘ方向に±０．５μｍ変位した。

【００６４】次に本実施例の微小プローブ素子を用い
て、実施例１と同様の走査型トンネル顕微鏡及び情報処
理装置を作製した。これらの装置を用いて、実施例１と
同様にして表面観察及び情報の記録再生等の実験を行な
ったところ、実施例１と同様に良好な結果が得られた。

【００６５】実施例４ 図６は本実施例で作製した微小プローブ素子を概略的に
示した断面図である。

【００６６】本実施例においてはシリンダは基板とは別
に作製し、後で基板に組み込んでいる。図６において６
１ａ，６１ｂはシリンダ、１は基板であり、加工により
素子を固定する枠の役割を兼ねている。２ａ，２ｂはピ
ストンの役割を兼ねている変位発生部、３ａ，３ｂは変
位を伝達するための液体、４ａ，４ｂはピストンの役割
を兼ねているはり、５は探針である。

【００６７】本実施例の微小プローブ素子の作製方法を
以下に述べる。まずはじめに基板１を、図６に示したよ
うな所望の枠の形状になるように加工した。基板１の材
料としてはアルミを用いて、削り出しと研磨により加工
を行なった。次に、型抜きによりシリンダ６１ａ，６１
ｂをガラスで作製した。また基板１と同様の方法、材料
ではり４ａ，４ｂを作製し、図には示していないが引き
出し電極を形成後に探針５を取りつけた。探針５はＰ
ｔ，Ｒｈ，Ｗなどの金属片を接着もしくは金属膜を堆
積、加工して、針状に形成したものである。

【００６８】次に、探針５を取りつけたはり４ａ，４ｂ
の端を図に示したように、シリンダ６１ａ，６１ｂに挿
入し、それぞれに液体３ａ，３ｂを注入後、更に圧電体
よりなる変位発生部２ａ，２ｂを組み込んで密封した。
なお、液体３ａ，３ｂとしては本実施例ではリン酸エス
テル系作動油等のオイルを用いた。最後に図６に示した
ように枠型に加工した基板に組み込み、この際はり４ａ
のシリンダに挿入しなかった一端は図のＸ方向に自由に
動けるようにして素子を作製した。

【００６９】本実施例の微小プローブ素子においては図
のＸ及びＺ方向に大きな変位を得ることができる。

【００７０】本実施例で作製した微小プローブ素子の主
要構成寸法等を以下に示す。

【００７１】 ・はり４ａの長さ １０ｍｍ ・はり４ｂの長さ ５ｍｍ ・はり４ａ，４ｂの断面は直径０．４ｍｍの円形 ・シリンダ部の断面は、いずれも直径８ｍｍの円形 このようにして作製した微小プローブ素子は、圧電体よ
りなる変位発生部２ａ，２ｂに１０Ｖの電圧を印加する
ことで、探針５を図のＺ方向に±１μｍ、Ｘ方向に±
０．５μｍ変位した。

【００７２】次に本実施例の微小プローブ素子を用い
て、実施例１と同様の走査型トンネル顕微鏡及び情報処
理装置を作製した。この装置を用いて、実施例１と同様
にして表面観察及び情報の記録再生等の実験を行なった
ところ、実施例１と同様に良好な結果が得られた。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の微小プロ
ーブ素子によれば、小型でありながら大きな変位を得る
ことができるとともに、反りのない信頼性の高い素子と
なる。

【００７４】また、簡易な技術で再現性良く作製でき、
集積化が容易となった。さらに、上記本発明の微小プロ
ーブ素子を用いた走査型トンネル顕微鏡では、信頼性の
高い像観察が可能となった。

【００７５】またさらには、上記本発明の微小プローブ
素子を用いた情報処理装置では、ｎｍオーダーの記録密
度をもつ大容量・高密度の装置となり、かつ、高速で記
録再生等を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による微小プローブ素子の一例を概略的
に示した図である。

【図２】本発明による走査型トンネル顕微鏡の一例を示
すブロック図である。

【図３】本発明による情報処理装置の一例を模式的に示
した図である。

【図４】本発明による微小プローブ素子の他の態様を概
略的に示した図である。

【図５】本発明による微小プローブ素子の他の態様を概
略的に示した図である。

【図６】本発明による微小プローブ素子の他の態様を概
略的に示した図である。

【図７】従来の圧電体バイモルフからなるカンチレバー
型変位素子の例である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 基板 ２，２ａ，２ｂ 変位発生部 ３，３ａ，３ｂ 変位を伝達するための液体 ４，４ａ，４ｂ はり ５ 探針 ２１ 微小プローブ素子 ２２ 試料 ２３ ＸＹステージ ２４ バイアス電圧印加回路 ２５ トンネル電流検出回路 ２６ 駆動制御回路 ２７ ＣＰＵ ３１ 記録層 ３２ 金属電極層 ３３ 記録媒体基板 ３４ ＸＹステージ ３５ 集積化微小プローブ素子 ３６ 支持体 ３７ Ｚ方向粗動リニアアクチュエータ ３８ Ｘ方向駆動リニアアクチュエータ ３９ Ｙ方向駆動リニアアクチュエータ ４０ バイアス回路 ４１ トンネル電流検出回路 ４２ Ｚ方向駆動サーボ回路 ４３ サーボ回路 ４４ 駆動回路 ４５ 駆動回路 ４６ ＣＰＵ ６１ａ，６１ｂ シリンダ ７１ａ，７１ｂ ２分割電極 ７２ａ，７２ｂ ＺｎＯ圧電体 ７３ 中電極 ７４ａ，７４ｂ ２分割電極 ７５ 引き出し電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 探針と該探針を駆動するための変位発生
   部を具備し、該変位発生部の変位を液体を介して該探針
   に伝達する構成を持つことを特徴とする微小プローブ素
   子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の微小プローブ素子を、
   同一基板上に複数配置したことを特徴とする集積化微小
   プローブ素子。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の微小プローブ素
   子を用いたことを特徴とする走査型トンネル顕微鏡。
4. 【請求項４】 トンネル電流を用いて記録媒体に対して
   情報の記録、再生、消去を行なう情報処理装置におい
   て、請求項１又は２に記載の微小プローブ素子を用いた
   ことを特徴とする情報処理装置。