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JPH05347439A - 微小変位素子及びこれを用いた走査型トンネル顕微鏡、情報処理装置 - Google Patents

微小変位素子及びこれを用いた走査型トンネル顕微鏡、情報処理装置

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JPH05347439A
JPH05347439A JP4151255A JP15125592A JPH05347439A JP H05347439 A JPH05347439 A JP H05347439A JP 4151255 A JP4151255 A JP 4151255A JP 15125592 A JP15125592 A JP 15125592A JP H05347439 A JPH05347439 A JP H05347439A
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有二 笠貫
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義勇 鈴木
Takayuki Yagi
隆行 八木
Masaru Nakayama
優 中山
Yutaka Hirai
裕 平井
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 弾性体薄膜と、一対の電極に挟持された単層
の圧電体薄膜からなるユニモルフ構造を有するカンチレ
バーであって、該カンチレバーの一端が支持体に支持さ
れ、且つその他端に情報入出力用のプローブを備え、該
弾性体薄膜と圧電体薄膜をそれぞれの線熱膨張係数Ａ及
びＢが（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００≦５０％である材料で形
成したことを特徴とする微小変位素子。 【効果】 高スキャン時にカンチレバーに生ずる寄生振
動が各段に低減され、精度及び再現性の良好な像観察、
或いは画像の記録・再生を可能とし、高速動作に適した
情報処理装置を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ユニモルフカンチレバ
ーからなる微小変位素子、これを用いた走査型トンネル
顕微鏡（以下「ＳＴＭ」と記す）、及び大容量、高密度
の情報処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、情報処理装置におけるデータの記
録容量は年々大きくなる傾向があり、記録単位の大きさ
は小さく記録密度は高くなっている。例えば光記録によ
るデイジタル・オーディオ・ディスクにおいては記録単
位の大きさは１μｍ2 程度にまで及んでいる。その背景
には、メモリ材料開発の活発化があり、有機色素・フォ
トポリマーなどの有機薄膜を用いた安価で高密度な記録
媒体が登場してきている。
【０００３】一方、最近、導体の表面原子の電子構造を
直接観察できるＳＴＭが開発され（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ
ｅｔ ａｌ．，Ｈｅｌｖｅｔｉｃａ Ｐｈｙｓｉｃａ
Ａｃｔａ，５５，７２６（１９８２））、単結晶、非
晶質を問わず実空間像の高い分解能の測定ができるよう
になり、しかも媒体に電流による損傷を与えずに低電力
で観測できる利点をも有し、さらに大気中でも動作し種
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。
【０００４】ＳＴＭは金属の探針（プローブ電極）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あり、電流もしく
は両者の平均的な距離を一定に保つように探針を走査す
ることにより実空間の表面情報を得ることができる。こ
の際、面内方向の分解能は１Å程度である。
【０００５】このＳＴＭの原理を応用すれば十分に原子
オーダー（数Å）での高密度記録再生を行なうことが可
能である。この際の記録再生方法としては、粒子線（電
子線、イオン線）或いはＸ線等の高エネルギー電磁波及
び可視・紫外線等のエネルギー線を用いて適当な記録層
の表面状態を変化させて記録を行ない、ＳＴＭで再生す
る方法や、記録層として電圧電流のスイッチング特性に
対してメモリ効果を持つ材料、例えばπ電子系有機化合
物やカルコゲン化物類の薄膜層を用いて、記録・再生を
ＳＴＭを用いて行なう方法等が提案されている（特開昭
６３−１６１５５２号）。
【０００６】このＳＴＭを利用した情報処理装置におい
ては、プローブと記録媒体との距離をÅオーダーで制御
することが重要である。さらに記録再生システムの機能
向上、特に高速化の観点から多数のプローブを同時に駆
動すること（プローブのマルチ化）が提案されている。
【０００７】従来この制御には、プローブ側或いは媒体
側に取り付けた積層型圧電素子、円筒型圧電素子等を用
いている（米国特許第４６６８８６５号明細書）。しか
しこれらの素子は変位量は大きくとれるものの集積化に
は適しておらず、マルチプローブ型の情報処理装置に使
用するのは不利である。この観点から、プローブを長さ
数１００μｍ程度のカンチレバー（片持ち梁）上に取り
付け、このカンチレバーを圧電体で駆動する方法が考え
られている。
【０００８】図９、図１０に、Ｓｉ基板上に圧電バイモ
ルフからなるカンチレバーを形成した例を示す（Ｔｈｏ
ｍａｓ Ｒ他（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ
Ａ８Ｐ３１７）１９９０年）。図９はその斜視図であ
り、Ｓｉ基板１上に２分割下電極３、ＺｎＯ圧電体薄膜
９０４、中電極９０２、ＺｎＯ圧電体薄膜９０４、２分
割上電極５と積層したカンチレバーを作製し、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、Ｓ
ｉ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。
【０００９】その圧電バイモルフからなるカンチレバー
の先端には金属によりプローブ６が形成されている。こ
れは引き出し電極を通してトンネル電流を検知する。そ
の際、図１０の断面図に示すようにカンチレバーの上電
極５と中電極９０２の間に挟まれる２つの圧電体領域
と、下電極３と中電極９０２との間に挟まれる２つの圧
電体領域の４箇所にそれぞれ独立に電圧をかけることに
より、プローブ６を持つカンチレバーを独立に動かすこ
とができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
に見られる圧電バイモルフ構造を有するカンチレバーで
は、高速スキャンさせた時、カンチレバーに寄生振動と
いう不都合な機械的振動が発生しやすく、正確な像観察
を困難にした。
【００１１】また、集積化して、カンチレバーを複数個
設けた場合、何本かのカンチレバー部が圧電体薄膜ない
しは、電極薄膜の内部応力のため、反ってしまうという
問題があった。これはスパッタリング法や蒸着法により
圧電体薄膜や、電極薄膜を形成する際の不均一性等によ
るものと考えられる。
【００１２】情報処理装置においては情報の書き込み、
或いは読み出しのためにカンチレバー１本１本全てが正
常動作する必要がある。このためカンチレバーの精度が
悪いとその精度を補償するために外的な補正の動作等を
加える必要があった。
【００１３】さらに、圧電体を２層用いた圧電バイモル
フ構造をとるために工程数が多く複雑となり、その結果
薄膜の応力を各層で制御することが難しくなっている。
【００１４】そこで本発明の目的は、高速スキャン時に
カンチレバーに生ずる寄生振動を格段に低減し、精度及
び再現性の良好な像観察、又は画像の記録・再生を可能
とする新規な微小変位素子、これを用いたＳＴＭ及び記
録再生装置を提供することにある。
【００１５】また、本発明の目的は、同一基板上に複数
のカンチレバーを設けた際、カンチレバーの反りのばら
つきを極力減らし、精度及び再現性の良好な像観察又は
画像の記録・再生を可能とするマルチ微小変位素子、こ
れを用いたＳＴＭ及び記録再生装置を提供することにあ
る。
【００１６】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明の第１の
態様は、圧電体薄膜、これを挟持する一対の電極及び弾
性体薄膜を有するユニモルフカンチレバーであって、該
カンチレバーの一端が支持体に支持され、且つその他端
に情報入出力用のプローブを備えたことを特徴とする微
小変位素子である。
【００１７】本発明の第２の態様は、上述の微小変位素
子が少なくとも２個以上２次元配置されていることを特
徴とするマルチ微小変位素子である。
【００１８】本発明の第３の態様は、上述の微小変位素
子を電気導電体に対向配置し、該微小変位素子を駆動す
るための駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段を設
け、電気導電体とプローブとの間に電圧を印加する手
段、両者間に流れるトンネル電流を検出するための手段
及び該トンネル電流の検出に基づき電気導電体表面の情
報を出力する手段を備えたことを特徴とする走査型トン
ネル顕微鏡である。本発明の第４の態様は、上述の微小
変位素子を記録媒体に対向配置し、該微小変位素子を駆
動するための駆動手段と該駆動手段を制御する手段を設
け、上記記録媒体とプローブとの間に情報記録用パルス
電圧を印加するための手段を備えたことを特徴とする情
報処理装置である。
【００１９】本発明の第５の態様は、上述の微小変位素
子を記録媒体に対向配置し、該微小変位素子を駆動する
ための駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段を設
け、記録媒体とプローブとの間に情報再生用バイアス電
圧を印加するための手段を備えたことを特徴とする情報
処理装置である。
【００２０】本発明の第６の態様は、上述の微小変位素
子を記録媒体に対向配置し、該微小変位素子を駆動する
ための駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段を設
け、記録媒体とプローブとの間に情報記録用パルス電圧
を印加するための手段、情報再生用バイアス電圧を印加
するための手段を備えたことを特徴とする情報処理装置
である。
【００２１】以下、本発明を詳細に説明する。
【００２２】本発明においては、微小変位させるカンチ
レバー状変位素子の構造を、２層の圧電体薄膜を夫々電
極で挟持したバイモルフ構造ではなく、弾性体薄膜と、
一対の電極に挟持された単層の圧電体薄膜からなるユニ
モルフ構造とすることにより、高速動作時の寄生振動を
低減し、製造時の工程数を減らし、薄膜形成の際の不均
一性を助長するような多回成膜を最小限に抑えたもので
ある。
【００２３】更に、弾性体薄膜に、圧電体薄膜と同等な
線熱膨張係数を持つ材料を選択することにより、熱的に
も安定で、反りの少ない素子とすることができる。
【００２４】これは、ＳＴＭを動作させる場合、分子・
原子オーダー、つまり数ｎｍのオーダーでの制御が必要
になるためであり、温度差があると、バイメタル効果に
より、カンチレバーに反りが発生する恐れがあるためで
ある。
【００２５】弾性体薄膜と圧電体薄膜の好適な材料の組
合せとしては、両者の線熱膨張係数が同等なものであれ
ば良く、少なくとも以下の関係式を満足するものであれ
ば良い。
【００２６】（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００≦５０％ 但し、Ａ：弾性体薄膜を構成する材料の線熱膨張係数 Ｂ：圧電体薄膜を構成する材料の線熱膨張係数 具体的な組合せ例としては、以下のものが挙げられる。
【００２７】 弾性体薄膜 圧電体薄膜 ＭｇＯ（Ａ：１．３×１０-5／ｋ） ＺｎＯ（Ｂ：１．５×１０-5／ｋ） Ｍｏ （Ａ：５．０×１０-6／ｋ） ＡｌＮ（Ｂ：５．０×１０-6／ｋ） Ｓｉ （Ａ：２．５×１０-6／ｋ）ＰｂＴｉＯ3 （Ｂ：３．０×１０-6／ｋ） 弾性体薄膜の厚さの好適範囲は、圧電体薄膜と同程度で
あれば良く、好ましくは、０．１〜１．５μｍであり、
材料としては有機、無機を問わない。
【００２８】また、本発明の微小変位素子においては、
ダンパー（ブレーキ材）としての弾性体薄膜のヤング率
を好適範囲に設定することが重要である。つまりＳＴＭ
における高速動作において、例えば、動作させるために
制動電圧にパルス電圧を加えると変位量がオーバーシュ
ートする。これは、固有振動数が原因と考えられる。
【００２９】弾性体薄膜のヤング率を１×１０4 〜５×
１０11Ｎ／ｍ2 の範囲、好ましくは、１×１０6 〜５×
１０8 Ｎ／ｍ2 の範囲に設定することが必要である。
【００３０】上記情報処理装置において、微小変位素子
の駆動信号としては、広帯域にわたる交流信号である正
弦波、三角波、矩形波、等が用いられるために、弾性体
薄膜を具備することにより、不要な振動を除去すること
もできる。
【００３１】さらに、カンチレバーの幅方向に電極の組
を付加することによって、独立に異なるプローブの変形
を行なうことができることも、本発明の特徴である。
【００３２】またマルチ微小変位素子においては１本１
本のカンチレバーは精度良く形成され、その結果、反り
による不良品を形成することなく、歩留を向上させ且つ
高品質のカンチレバーを実現することができる。
【００３３】図１に本発明の微小変位素子の断面図、図
２にその斜視図を示す。
【００３４】Ｓｉ基板１上に弾性体薄膜２を形成し、下
部電極３、その上に圧電体薄膜４、上部電極５、プロー
ブ６で構成される。このような微小変位素子を同一Ｓｉ
基板上に複数個設け圧電体部に電界をかけ、カンチレバ
ー部を駆動することによりトンネル電流を使って読み込
み、書き込みを行なうものである。
【００３５】
【実施例】以下本発明を実施例により詳細に説明する。
【００３６】実施例１ 図５に複数の微小変位素子の模式図を示す。
【００３７】６ｍｍ×６ｍｍの厚さ０．３ｍｍのＳｉ
（１００）基板１上に後述の工程によって形成した弾性
体薄膜と一対の電極を持つ圧電体薄膜からなるカンチレ
バー８が４×３＝１２本設けられており、各カンチレバ
ー上には、信号の書き込み或いは読み出し用のプローブ
６が設けられている。尚カンチレバーのサイズは幅１０
０μｍ、長さ５００μｍである。
【００３８】上記カンチレバーの作製法を図１を用いて
説明する。先ずＳｉ（１００）基板１（厚さ０．３ｍ
ｍ）上にＣＶＤ法により弾性体薄膜２としてＳｉ3 Ｎ4
膜を１５００Å程度成膜した。尚、この膜のＳｉ3 Ｎ4
膜のヤング率は２×１０11Ｎ／ｍ2 であった。使用した
ガスはＳｉＨ2 Ｃｌ2 ：ＮＨ3 ＝１：９であり、成膜温
度は８００℃であった。次に、フォトリソグラフィー、
ＣＦ4 ドライエッチングにより、弾性体薄膜２を所望の
形状にパターニングを行なった。この後、Ｃｒ５０Å、
Ａｕ１０００Åを成膜し、下電極３を作製し、フォトリ
ソグラフィー及びウェットエッチングによりパターニン
グした。次いでスパッタ法により、圧電体薄膜４とし
て、ＺｎＯを３０００Å成膜した。ダーゲットにはＺｎ
Ｏを用い、Ｏ2 雰囲気でスパッタした。さらにフォトリ
ソグラフィーとウェットエッチングによりパターニング
を行なった。その後、下電極３と同様の作製法で、上電
極５を形成した。
【００３９】次にプローブ用電極材としてＷを成膜し、
フォトリソグラフィーとリフトオフによりプローブ６を
作製した。その後にＫＯＨによるＳｉの異方性エッチン
グによりＳｉ基板１の所望の部分を除去し、微小変位素
子を作製した。
【００４０】このように作製した微小変位素子の反り量
は、カンチレバーの自由端の先端とＳｉ基板との高さの
ずれを測定したところ、１２本のカンチレバーに対し、
±１μｍ程度の範囲内であった。
【００４１】さらに、０℃〜６０℃の温度範囲でも、こ
の反り量は変わらなかった。
【００４２】次に、この微小変位素子のカンチレバー１
本に図３（ａ）のような、三角波の交流を加えた。尚、
周波数は５００Ｈｚである。このときのカンチレバーの
応答は図３（ｂ）のようになり、応答性の良好なカンチ
レバーであることを確認した。
【００４３】本図から明らかな通り、寄生振動がほとん
ど生じていない。
【００４４】さらに、２分割された上電極５にそれぞれ
違う波形の電界を加えたところ、幅方向に１００Å程度
駆動することができた。
【００４５】比較例 実施例１と同様に作製して、工程を増やし、中電極を含
む圧電体薄膜を２つ含むバイモルフ構造の微小変位素子
を形成した。この時のカンチレバーの自由端の先端と、
Ｓｉ基板との高さのずれは１２本のカンチレバーに対
し、±１５０μｍの反りであった。
【００４６】さらに、このバイモルフ構造のカンチレバ
ーに対して、図４（ａ）のような三角波を加えた（周波
数５００Ｈｚ）。この時のカンチレバーの応答は図４
（ｂ）のようになった。つまり、寄生振動が発生し、こ
れを用いた像観察ではノイズが多く、正確な像観察を困
難にする。
【００４７】実施例２ 実施例２を図６を用いて説明する。実施例１と同様な方
法でＳｉ3 Ｎ4 の弾性体薄膜を形成した後、Ｃｒ５０
Å、Ａｕ１０００Åの２分割された下電極１１を形成し
た。その後、スパッタ法でＰｂＴｉ3 を５０００Å程度
成膜した。ターゲットはＰｂＴｉＯ3 焼結体を用い、Ｏ
2 ＋Ａｒ雰囲気でスパッタを行ない、圧電体薄膜４を形
成した。その後、リソグラフィー、エッチングによりパ
ターニングした後、Ａｌを蒸着して上部２分割電極１３
を形成した。その後Ｐｔを成膜してプローブ１４を形成
した。
【００４８】ここで実施例１の構成と異なる点は、上、
下電極とも２分割されており、これらの２対の対向電極
に異なる波形の電界を加えた時、カンチレバーの上下運
動のみならず、平面運動をも行なうことができるという
ことである。
【００４９】実施例３ 実施例２において、弾性体薄膜としてＳｉ3 Ｎ4 に代え
てＭｇＯを用い、また圧電体薄膜としてＰｂＴｉＯ3 に
代えてＺｎＯを用い、それぞれ膜厚を１μｍとして微小
変位素子を形成した。この変位素子の反り量の変化率
は、−２０℃〜６０℃の範囲で１００ｐｐｍ以下であっ
た。
【００５０】実施例４ 実施例２において、弾性体薄膜としてＳｉ3 Ｎ4 に代え
てＭｏを用い、圧電体薄膜としてＰｂＴｉＯ3 に代えて
ＡｌＮを用い、それぞれの膜厚を５０００Åとして微小
変位素子を形成した。この素子の反り量の変化率は、−
２０℃〜６０℃の範囲において、１００ｐｐｍであっ
た。
【００５１】実施例５ 実施例２において、弾性体薄膜としてＳｉ3 Ｎ4 に代え
てＳｉを用い、圧電体薄膜としてＰｂＴｉＯ3 を用い、
それぞれ膜厚３０００Åとして微小変位素子を形成し
た。この素子の反り量の変化率は−２０℃〜６０℃の範
囲で１００ｐｐｍであった。
【００５２】実施例６ 実施例２で作製した、５×６＝３０本の微小変位素子を
持つ複数のプローブを、図７に示す情報処理装置に取り
付けた。
【００５３】図中１０１は媒体の基板、１０２は金属電
極層、１０３は記録層である。２０１はＸＹステージ、
２０２は微小変位素子のプローブ、２０３は微小変位素
子の支持体、２０４は微小変位素子をＺ方向に駆動する
リニアアクチュエーター、２０５、２０６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、２０７は記録・再生用のバイアス回路である。３
０１はプローブ電極から記録層１０３を介して電極層１
０２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。３０２はカンチレバーをＺ軸方向に移動
させるためのサーボ回路であり、３０３はアクチュエー
ター２０４を駆動するためのサーボ回路である。３０４
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、３０５はＸＹステージの制御を行なう駆動回
路である。３０６は、これらの操作を制御するコンピュ
ーターである。
【００５４】本実施例では、この情報処理装置に微小変
位素子を取り付け、記録媒体としてガラス基板上にＣｒ
／Ａｕを蒸着し、その上部にポリイミドＬＢ膜を４層
（約１５Å）成膜したものを用いた。記録媒体の電極と
微小変位素子の先端のプローブに１．５Ｖの電圧を印加
した。３０本全ての微小変位素子のプローブが、それぞ
れ１０-8Ａ程度のトンネル電流になるよう微小変位素子
の圧電体薄膜に電界を加えてプローブの位置を移動させ
た。この際３０本に各自独立に圧電薄膜にかけた電界は
ほとんど±１０％以内のバラツキでしかなかった。
【００５５】尚、この記録媒体にパルス電圧を加える
と、記録媒体の抵抗率が２ケタ程度変化する特徴があ
る。
【００５６】その後、プローブに、パルス電圧（１０
Ｖ）を加え、所望の位置に情報を記録した。尚。その領
域は約１００Å×１００Å程度で非常に小さく、超高密
度の記録を行なうことができた。
【００５７】次に、プローブと記録媒体の電極間に１．
５Ｖの電圧を印加し、トンネル電流の変位を見たとこ
ろ、記録した部分に抵抗値が変化した部分を検出した。
このように本実施例においては、記録情報の書き込み、
読み出しが行なえることを確認した。
【００５８】実施例７ 本実施例では前述した記録再生装置を使って、ＳＴＭと
して実験を行なった結果について述べる。
【００５９】実施例６で述べた情報処理装置を使って、
記録媒体を、被観察物として走査し、プローブ電極２０
２と被観察物との間に電圧を印加し、トンネル電流値の
結果を出力すると、ＳＴＭ像が得られる。本実施例にお
いては被観察物として、Ｓｉ基板（１００）を用いて、
ＳＴＭ像を得たところ、Ｓｉ基板の広範囲にわたって像
を原子オーダーで観察でき、さらにノイズがほとんどな
い安定した像が得られた。
【００６０】実施例８ 実施例１のカンチレバーを以下の方法で作成した。
【００６１】先ず、Ｓｉ（１００）基板１（厚さ０．３
ｍｍ）上に塗布法により弾性体薄膜２として、アクリル
樹脂膜を１μｍ程度形成した。尚、このアクリル樹脂の
ヤング率は、２×１０7 Ｎ／ｍ2 であった。次にフォト
リソグラフィー、ケミカルエッチングにより、弾性体薄
膜２を所望の形状にパターニングを行なった。エッチン
グ液として、酢酸ブチルを使用した。この後、Ｃｒ５０
Å、Ａｕ１０００Åを成膜し、下電極３を作成し、フォ
トリソグラフィー及びウェットエッチングによりパター
ニングした。次いでスパッタ法により、圧電体薄膜４と
して、ＡｌＮを１μｍ成膜した。ダーゲットには、Ａｌ
Ｎ焼結体を用い、Ａｒ雰囲気でスパッタした。更にフォ
トリソグラフィーとウェットエッチングによりパターニ
ングを行なった。その後、下電極３と同様の作成法で、
上電極５を形成した。
【００６２】次に、プローブ用電極材として、Ｐｔを成
膜し、フォトリソグラフィーとリフトオフによりプロー
ブ６を作製した。その後、ＫＯＨによるＳｉの異方性エ
ッチングによりＳｉ基板１の所望の部分を除去し、微小
変位素子を作製した。
【００６３】こうして得られた微小変位素子の変位特性
を測定したところ、固有振動数は１５ＫＨｚであった。
この共振時の機械的Ｑ値は２程度であった。
【００６４】弾性体として、１×１０6 〜５×１０8 Ｎ
／ｍ2 のヤング率を持つ剛性の低い材料を選ぶと、更に
寄生振動が少なく、応答性の優れたものとなる。とりわ
け、本発明の微小変位素子をＳＴＭとして作動させると
きに効果がある。
【００６５】ＳＴＭにおいては、トンネル電流をモニタ
ーすることにより、媒体の凹凸に追従してＳＴＭプロー
ブが動く。このＳＴＭプローブを動かす微小変位素子に
おいては、オーバーシュ−ティングや寄生振動がないこ
とが望ましい。
【００６６】このため弾性体薄膜のヤング率の小さいも
のを用いることにより、機械的Ｑ値が下がり、オーバー
シューティングのない微小変位素子が得られる。
【００６７】図８は、本実施例の微小変位素子の特性を
示したものである。
【００６８】図８（ａ）に示す如く、１０ｍｓｅｃ，１
０Ｖの矩形波の電圧を微小変位素子に加えた。このとき
の変位（応答）は、ヤング率の小さい弾性体を用いた
時、図８（ｂ）のようにオーバーシューティングが全く
見られない。これに対し、ヤング率の大きい弾性体を用
いた時、図８（ｃ）のように立ち上がりにオーバーシュ
ーティングが見られ、位置だしが安定するのに時間がか
かる。
【００６９】このように、弾性体として１×１０6 〜５
×１０8 Ｎ／ｍ2 のヤング率を持つ材料を選ぶと、高速
応答可能なＳＴＭが実現できる。
【００７０】また、弾性体薄膜のヤング率の小さいもの
を用いることにより、圧電材料との熱膨張係数と、弾性
体薄膜のそれと大きく相違していても、温度変化に対
し、反りの発生を抑制することが可能であった。
【００７１】
【発明の効果】以上説明したように、シリコン基板の一
方面に、弾性体薄膜及び一対の電極に挟まれた１つの圧
電性薄膜で構成されるカンチレバーにトンネル電流を検
出するプローブを設けた微小変位素子においては、温度
性、応答性、操作性の高いＳＴＭを応用した、高速動作
に適した情報処理装置が作製できる。また、複数のプロ
ーブを持つ微小変位素子においては、１本１本のカンチ
レバーの反りが少なく、平面度が高いので、歩留が向上
すると共に、制御性も高まる。
【００７２】このことによって、ＳＴＭを応用した情報
処理装置において、超高密度な記録、再生ができると共
に、安価な装置を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微小変位素子の断面図である。
【図２】本発明の微小変位素子の斜視図である。
【図３】本発明の微小変位素子の応答性を示す図であ
る。
【図４】バイモルフカンチレバーを用いた場合の応答性
を示す図である。
【図５】本発明のマルチ微小変位素子の断面図である。
【図６】本発明の実施例２の微小変位素子の断面図であ
る。
【図７】実施例２に用いた記録再生装置の模式図であ
る。
【図８】実施例４の微小変位素子の特性を示す図であ
る。
【図９】従来の微小変位素子の斜視図である。
【図１０】従来の微小変位素子の断面図である。
【符号の説明】
１ Ｓｉ基板 ２ 弾性体薄膜 ３ 下電極 ４ 圧電体薄膜 ５ 上電極 ６ プローブ ８ カンチレバー １０１ 記録媒体基板 １０２ 金属電極層 １０３ 記録層 ２０１ ＸＹステージ ２０２ プローブ電極 ２０３ 支持体 ２０４ Ｚ方向リニアアクチュエーター ２０５ Ｘ方向リニアアクチュエーター ２０６ Ｙ方向リニアアクチュエーター ２０７ 記録再生用バイアス回路 ３０１ トンネル電流検出器 ３０２、３０３ サーボ回路 ３０４、３０５ 駆動回路 ３０６ コンピューター ９０２ 中電極 ９０４ 圧電体薄膜
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成５年４月１９日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図２】
【図５】
【図６】
【図３】
【図４】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｂ 8525−5Ｈ (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 中山 優 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 平井 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

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧電体薄膜、これを挟持する一対の電極
    及び弾性体薄膜を有するユニモルフカンチレバーであっ
    て、該カンチレバーの一端が支持体に支持され、且つそ
    の他端に情報入出力用のプローブを備えたことを特徴と
    する微小変位素子。
  2. 【請求項２】 前記弾性体薄膜のヤング率が１×１０4
    〜１×１０11Ｎ／ｍ2 の範囲にあることを特徴とする請
    求項１記載の微小変位素子。
  3. 【請求項３】 前記弾性体薄膜のヤング率が１×１０6
    〜５×１０8 Ｎ／ｍ2 の範囲にあることを特徴とする請
    求項１記載の微小変位素子。
  4. 【請求項４】 前記電極の少なくとも一方が、幅方向に
    分割されていることを特徴とする請求項１記載の微小変
    位素子。
  5. 【請求項５】 前記弾性体薄膜を構成する材料の線熱膨
    張係数が、前記圧電体薄膜を構成する材料の線熱膨張係
    数と同等であることを特徴とする請求項１記載の微小変
    位素子。
  6. 【請求項６】 前記弾性体薄膜を構成する材料の線熱膨
    張係数Ａと、前記圧電体薄膜を構成する材料の線熱膨張
    係数Ｂとの関係が、以下の式を満足することを特徴とす
    る請求項５記載の微小変位素子。 （Ａ−Ｂ）／Ａ×１００≦５０％
  7. 【請求項７】 弾性体薄膜を構成する材料が、酸化マグ
    ネシウム、モリブデン及びシリコンから選択されること
    を特徴とする請求項１記載の微小変位素子。
  8. 【請求項８】 弾性体薄膜を構成する材料が有機材料で
    あることを特徴とする請求項１記載の微小変位素子。
  9. 【請求項９】 圧電体薄膜を構成する材料が、酸化亜
    鉛、窒化アルミニウム、酸化チタン亜鉛から選択される
    ことを特徴とする請求項１記載の微小変位素子。
  10. 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれかに記載の微小
    変位素子が少なくとも２個以上２次元配置されているこ
    とを特徴とするマルチ微小変位素子。
  11. 【請求項１１】 請求項１〜９のいずれかに記載の微小
    変位素子を電気導電体に対向配置し、該微小変位素子を
    駆動するための駆動手段と該駆動手段を制御する制御手
    段を設け、電気導電体とプローブとの間に電圧を印加す
    る手段、両者間に流れるトンネル電流を検出するための
    手段及び該トンネル電流の検出に基づき電気導電体表面
    の情報を出力する手段を備えたことを特徴とする走査型
    トンネル顕微鏡。
  12. 【請求項１２】 請求項１〜９のいずれかに記載の微小
    変位素子を記録媒体に対向配置し、該微小変位素子を駆
    動するための駆動手段と該駆動手段を制御する手段を設
    け、上記記録媒体とプローブとの間に情報記録用パルス
    電圧を印加するための手段を備えたことを特徴とする情
    報処理装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１〜９のいずれかに記載の微小
    変位素子を記録媒体に対向配置し、該微小変位素子を駆
    動するための駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段
    を設け、記録媒体とプローブとの間に情報再生用バイア
    ス電圧を印加するための手段を備えたことを特徴とする
    情報処理装置。
  14. 【請求項１４】 請求項１〜９のいずれかに記載の微小
    変位素子を記録媒体に対向配置し、該微小変位素子を駆
    動するための駆動手段と該駆動手段を制御する制御手段
    を設け、記録媒体とプローブとの間に情報記録用パルス
    電圧を印加するための手段、情報再生用バイアス電圧を
    印加するための手段を備えたことを特徴とする情報処理
    装置。
  15. 【請求項１５】 記録媒体が、電気メモリー効果を有す
    ることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載
    の情報処理装置。
  16. 【請求項１６】 記録媒体の表面が非導電性であること
    を特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の情報
    処理装置。
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