JPH07177763A

JPH07177763A - 静電アクチュエータ、情報処理装置および走査型トンネル顕微鏡

Info

Publication number: JPH07177763A
Application number: JP32496493A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Yamano; 明彦山野; Kunihiro Sakai; 邦裕酒井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-12-22
Filing date: 1993-12-22
Publication date: 1995-07-14

Abstract

(57)【要約】【目的】走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）やＳＴＭの原理
を利用した情報処理装置などにおいてプローブを位置制
御するために使用され、小さな駆動電圧で大きな変位量
を得られる静電アクチュエータを提供する。【構成】固定電極１０３上に誘電体薄膜１０４を積層す
る。空隙１０６を介して可動片１０７を配置する。可動
片１０７は、梁１２１によって回転可能かつ両持ち梁構
造に支持されている。固定電極１０３に電圧を印加する
ことにより静電引力が発生し、可動片１０７の一端１０
７ａが誘電体薄膜１０４に接触する。この状態で固定電
極１０３への印加電極を上昇させると、可動片１０７と
誘電体薄膜１０４との接触面積が増加し、これに応じて
可動片１０７に回転力が作用して、可動片１０７の他端
１０７ｂが、基板１０１から離れる方向に変位する。

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
などに使用される微細な静電アクチュエータと、この静
電アクチュエータを使用した情報処理装置および走査型
トンネル顕微鏡とに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、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（Scanning Tunneling
Microscope;以後、ＳＴＭと略す）が開発され［G. Bin
nig, et al., Phys. Rev. Lett., 49, 57(1982)］、単
結晶、非晶質を問わず実空間像が高い分解能で測定でき
るようになった。ＳＴＭは、媒体（試料）に対して電流
による損傷を与えることなく低電力で観測できる利点も
有し、さらに大気中や液体中でも動作し、種々の材料に
対して用いることができる。このためＳＴＭは、広範囲
な応用が期待されている。

【０００３】ＳＴＭは、先端の尖った金属の探針（プロ
ーブ電極）と導電性物質との間に電圧を加えて両者を１
ｎｍ程度の距離まで近づけると両者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
に非常に敏感であり、トンネル電流値を一定に保つよう
にしてプローブ電極を面内方向に走査することにより、
実空間での全電子雲に関する種々の情報を読み取ること
ができる。この際、面内方向の分解能は０.ｌｎｍ程度
である。したがって、ＳＴＭの原理を応用すれば、十分
に原子オーダー（サブ・ナノメートル）での高密度記録
再生を行なうことが可能である。

【０００４】例えば、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、例えば共役π電子系有機
化合物やカルコゲン化合物類の薄膜層を記録層として用
いて、記録・再生をＳＴＭで行なう方法が提案されてい
る［特開昭６３−１６１５５２号公報、特開昭６３−１
６１５５３号公報］。この方法によれば、記録のビット
サイズを１０ｎｍとすれば、１０¹²ｂｉｔ／ｃｍ²もの
大容量記録再生が可能である。

【０００５】このようなＳＴＭの原理を利用した記録再
生装置においては、記録媒体に用いる記録層として、記
録層に書込まれた情報をプローブ電極と記録層との間に
流れるトンネル電流により検出できるものであれば、ど
のような材料でも用いることができる。例えば、表面に
凹凸を形成して記録を行なう場合であれば、ＨＯＰＧ
（Highly Oriented Pyrolithic Graphite;高配向熱分解
グラファイト）の劈開基板、Ｓｉウエハ、真空蒸着ある
いはエピタキシャル成長によるＡｕ,Ａｇ,Ｐｔ,Ｍｏ,Ｃ
ｕなどの金属薄膜、Ｒｈ₂₅Ｚｒ₇₅,Ｃｏ₃₅Ｔｂ₆₅などの
ガラス質金属などが挙げられる。表面の電子状態により
記録するものとしては、アモルファスＳｉ、共役π電子
系有機化合物やカルコゲン化合物類の薄膜層などが挙げ
られる。

【０００６】さらに、装置の小型化を目的とし、半導体
リソグラフィプロセスによるマイクロメカニクス技術に
よって複数のプローブ電極と極めて小型の可動機構とを
半導体基板上に形成することが検討されている。このよ
うな可動機構に用いる典型的な微小機械として、静電カ
ンチレバー、圧電バイモルフカンチレバー（例えば米国
特許第４,９０６,８４０号明細書参照）などを用いたア
クチュエータが提案されている。静電カンチレバーを用
いた静電アクチュエータは、カンチレバーに対向して駆
動電極を設け、駆動電極に電圧を印加することによって
生ずる駆動電極とカンチレバーとの間の静電引力を用い
てカンチレバーを変位させようとするものである。一
方、圧電バイモルフカンチレバーを用いた圧電バイモル
フアクチュエータは、電極と圧電体とを積層してカンチ
レバーを構成し、電極に電圧を印加することによって生
じる圧電体の機械的変形に基づいて変位するものであ
る。これらの微小機械は、半導体フォトリソプロセスに
より作製され、アレイ化、低コスト化が容易であり、微
細化されているので高速応答性を期待できる。

【０００７】特に、静電アクチュエータは、自己変位に
基づく圧電バイモルフアクチュエータに比ベ、外部から
の電圧印加による静電引力によってカンチレバーが変位
するので、サイズに比して大きな変位を行なわせること
が可能である。また、圧電バイモルフアクチュエータ作
製の際には基板を裏面より除去する工程が、静電アクチ
ュエータは、犠牲層を用いて形成することが可能である
ので、基板を裏面から除去する工程が不要となり、簡
便、高精度かつ小型に作製することができる。

【０００８】図８は、従来のカンチレバー型の静電アク
チュエータの構成を示す断面図である。基板９０８上に
絶縁層９０７が設けられ、絶縁層９０７を介して基板９
０８のほぼ中央部分に駆動電極９０６が設けられてい
る。そしてこれら駆動電極９０６および絶縁層９０７の
表面を覆うように誘電体薄膜９０５が設けられている。
カンチレバー９０３は、駆動電極９０６の上に張り出す
ように配置されており、カンチレバー９０３の固定端
は、スペーサ９０４を介して基板９０８に対して固定さ
れている。この静電アクチュエータでは、カンチレバー
９０３と基板９０８上の駆動電極９０６との間に電圧を
印加して両者間に電界を発生させることにより、静電力
が発生してカンチレバー９０３がたわみ、カンチレバー
９０３と基板９０８との間隔が小さくなる。したがって
駆動電極９０６に加える電圧を制御することによってカ
ンチレバー９０３の動きを制御することが可能となり、
アクチュエータとして利用できる。

【０００９】このような静電アクチュエータをＳＴＭな
どに用いる場合には、図８に示すように、カンチレバー
９０３の自由端先端付近であって基板９０８とは反対側
の面に、円錐状の突起を設けてプローブ９０１とする。
ＳＴＭの場合には、試料９０２をプローブ９０１に対向
して配置する。カンチレバー９０３と駆動電極９０６と
の間の静電力は引力だけであるので、カンチレバー９０
３は駆動電極９０６に対して両者の距離を狭める方向に
しか変位しない。したがって、試料９０２とプローブ９
０１先端との距離を制御し、またプローブ９０１の先端
以外の部分が試料９０２に接触しないようにするために
は、図８に示すように、基板９０８とは反対方向に、カ
ンチレバー９０３を予め精度よく反らせて作成しなけれ
ばならない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ＳＴＭやＳＴＭを用い
た記録再生装置に上述した静電アクチュエータを使用す
る場合、基板（駆動電極）とは反対の方向にカンチレバ
ー部を反らす必要があり、駆動電極とカンチレバー部の
間隔が広がることになる。したがって、駆動電極とカン
チレバー部の間に生じる静電力が弱くなり、アクチュエ
ータとしての動作量（変位量）を確保するためには、駆
動電圧を高める必要が生じる。そのため、各部分の（電
気的な）耐圧を高めるなどの工夫が必要となり、アクチ
ュエータ自身の微細化の妨げとなるとともに、コストア
ップの原因となっていた。また、出力電圧の高い電源が
必要となることから、装置全体としての小型化の妨げに
もなっていた。

【００１１】本発明の目的は、低電圧による駆動でも変
位量が大きい静電アクチュエータと、この静電アクチュ
エータを使用した情報処理装置および走査型トンネル顕
微鏡とを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の静電アクチュエ
ータは、固定電極と、前記固定電極に対して空隙を介し
て対向配置され導電体からなる可動片と、前記可動片を
支持する支持部と、前記固定電極および前記可動片の間
に設けられた誘電体薄膜とを有し、前記固定電極に印加
される電圧が所定値となった場合に前記可動片の一部が
前記誘電体薄膜を介して前記固定電極に接触し、前記固
定電極に印加される電圧の変化に応じて前記可動片と前
記固定電極との接触部分の面積が増減する。

【００１３】本発明の第１の情報処理装置は、本発明の
静電アクチュエータを使用し、変位対象物としてのプロ
ーブを有し、前記静電アクチュエータによって前記プロ
ーブの位置制御を行ないながら前記プローブに作用する
物理相互作用に基づいた処理を行なう。

【００１４】本発明の第２の情報処理装置は、本発明の
静電アクチュエータと、変位対象物としてのプローブ
と、前記プローブに対向して配置された記録媒体と、前
記記録媒体と前記プローブとを前記記録媒体の面内方向
に移動させる移動手段と、前記固定電極に駆動電圧を印
加する電圧印加手段と、前記プローブと前記記録媒体と
の間の物理相互作用に基づいて前記記録媒体から少なく
とも情報の再生を行なう再生手段とを有する。

【００１５】本発明の走査型トンネル顕微鏡は、本発明
の静電アクチュエータと、変位対象物として設けられ試
料に対向するプローブと、前記試料と前記プローブとを
前記試料の面内方向に移動させる移動手段と、前記固定
電極に駆動電圧を印加する電圧印加手段と、前記プロー
ブと前記試料との間に電圧を印加して前記プローブと前
記試料との間に流れるトンネル電流を検出する検出手段
とを有する。

【００１６】

【作用】本発明の静電アクチュエータでは、空隙を介し
て固定電極と可動片とを配置し、さらに固定電極と可動
片との間に誘電体薄膜が設けられているので、固定電極
に電圧を印加すれば、可動片に静電引力が作用すること
になる。ここで例えば、可動片を支持するための支持部
の位置を固定電極に対してずらすなどし、さらに固定電
極と可動片との距離を比較的小さくとることにより、固
定電極にある一定の電圧を印加した場合に、可動片の一
部の領域（通常は可動片の一端）が誘電体薄膜を介して
固定電極に接触するようになる。固定電極に印加される
電圧をこの状態から変化させたとき、可動片がしなって
誘電体薄膜を介しての固定電極と可動片との接触面積が
変化し、これによって支持部を軸として可動片に回転力
が生じる。本発明の静電アクチュエータは、この回転力
による変位を利用するものである。本発明の静電アクチ
ュエータをトーションレバー型静電アクチュエータと呼
ぶことにする。明らかに、可動片における変位量は、支
持部をはさんで接触部とは反対側の端部で最大となるか
ら、この部位に変位対象物を配置することが望ましい。

【００１７】本発明の静電アクチュエータでは、従来の
ものと比べ、固定電極（駆動電極）と可動片（カンチレ
バー部）との間隔を実効的に小さくすることができ、さ
らに支持部を支点とするてこが構成されるので、小さな
駆動電圧で大きな変位量を達成することができる。ま
た、本発明の静電アクチュエータには、上述の説明にお
ける一定の電圧が０Ｖであるもの、すなわち固定電極に
電圧を印加しない状態で可動片の一端が誘電体薄膜を介
して固定電極に接しているものも含まれる。

【００１８】本発明において可動片としては、導電性を
有し、かつ適当にしなるものを用いることが望ましく、
例えば、アルミニウム薄膜を使用することができる。

【００１９】誘電体薄膜としては、ＳｉＯ₂,ＳｉＮ,Ｚ
ｒＯ₂,ＴｉＯ₂,ＭｇＯ,Ａｌ₂Ｏ₃,ＳｉＣ,ＳｉＯＮ,Ａｌ
Ｎ,ＺｎＯなどの無機材料、あるいはポリイミド、ポリ
アミド、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）などの有
機高分子材料を用いることができる。変位量制御のため
の駆動電圧を低減するためには、誘電体薄膜に強誘電体
材料を使用することが有効である。強誘電体材料として
は、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸
ジルコン酸鉛などのチタン酸系強誘電体や、ポリフッ化
ビニリデン、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン
共重合体などの有機高分子強誘電体を挙げることができ
る。

【００２０】本発明の情報処理装置では、上述した静電
アクチュエータにプローブを取り付けるので、プローブ
の位置制御のための駆動電圧を小さくすることができ、
装置全体としての小型化、低コスト化を図ることができ
る。典型的には、プローブと記録媒体とを対向させ、両
者間の物理相互作用に基づいて情報の処理を行なう場合
に、プローブと記録媒体との距離の制御を低電圧で行な
えるようになり、かつこの制御を正確に行なえるように
なる。また、本発明の走査型トンネル顕微鏡では、トン
ネル電流検出用のプローブを上述した静電アクチュエー
タに取り付けるので、試料とプローブとの間の距離の制
御のための電圧を小さくすることができ、かつ制御も正
確に行なえるようになる。

【００２１】

【実施例】次に本発明の実施例について、図面を参照し
て詳細に説明する。

【００２２】《第１実施例》図１(A)は本発明の第１実
施例の静電アクチュエータ（トーションレバー型静電ア
クチュエータ）の上面図、図１(B)は図１(A)のＡ-Ａ'線
での断面図、図１(C)はこの静電アクチュエータの動作
時でのＡ-Ａ'線断面図である。

【００２３】この静電アクチュエータ１００は、ＳＴＭ
（走査型トンネル顕微鏡）の原理を利用した情報処理装
置に使用されるものであって、予め、円錐状のプローブ
１５０が形成されている。略長方形の基板１０１の上面
の全面には絶縁層１０２が設けられており、基板１０１
の表面のほぼ中心にあたる位置の絶縁層１０２の上に固
定電極１０３が設けられている。これら絶縁層１０２お
よび固定電極１０３を覆うように、誘電体薄膜１０４が
形成されている。また、基板１０１の各辺に沿うように
壁状のスペーサ１０５が上方に向かって形成されてい
る。スペーサ１０５の上面を覆うように、長方形状の中
心開口１１９のある平板状の支持体１０８が設けられて
いる。

【００２４】静電アクチュエータ１００の機械可動部
は、可動片（レバー）１０７として構成されている。可
動片１０７は、可動片１０７の支持部である梁１２１と
ともに、支持体１０８と一体のものとして、導電性の部
材から構成されている。すなわち、可動片１０７は、中
心開口１１９よりも小さい長方形状であって、その長手
方向の一端１０７ａ側が固定電極１０３の上方に完全に
張り出すように配置されている。可動片１０７の短辺は
固定電極１０３の対応する辺の長さとほぼ等しく、長辺
は固定電極の対応する辺よりも長くなっており、固定電
極１０３の中心と可動片１０７の中心とは、可動片１０
７の長手方向の他端１０７ｂ側にずれている。梁１２１
は、可動片１０７の両方の長辺にそれぞれ対応して２本
設けられており、これら梁１２１はほぼ一直線上に配置
されている。また、梁１２１が可動片１０７を支持する
位置は、可動片１０７の長手方向の他端１０７ｂ側に可
動片１０７の中心からかなり外れた位置である。梁１２
１は、梁１２１を回転軸として可動片１０７が回転でき
るように、可動片を支持する。

【００２５】可動片１０７の上面（基板１０８側でない
面）には、酸化シリコン膜１５１を介して配線層１５２
が設けられており、配線層１５２の上にプローブ１５０
が配置されている。プローブ１５０の配置位置は、可動
片１０７の長手方向の他端１０７ｂである。このように
構成されることにより、可動片１０７と誘電体薄膜１０
４との間に空隙１０６が形成される。

【００２６】次に、この静電アクチュエータ１００の動
作原理について説明する。ここでは可動片１０７と固定
電極１０３とは絶縁され、可動片１０７が接地されてい
るものとする。

【００２７】固定電極１０３に電圧Ｖ_bを印加すること
により、固定電極１０３と可動片１０７の間に静電引力
が作用し、また梁１２１が可動片１０７の中心からずれ
て設けられていることにより、図１(C)に示されるよう
に、梁１２１がねじれ、可動片１０７はその長手方向の
一端１０７ａが誘電体薄膜１０４の表面に接触するよう
になる。この可動片１０７の回転に伴い、可動片１０７
ｂは基板１０１から離れる方向（図示上方）に変位す
る。ここで基板１０１表面と可動片１０７のなす角をθ
とする。

【００２８】この状態で固定電極１０３に印加する電圧
Ｖ_bを上昇させると、図２の模式図に示されるように、
可動片１０７がたわんで誘電体薄膜１０４に対する接触
面積が大きくなり、これに対応して可動片１０７が梁１
２１を中心にさらに回転することになり、長手方向の他
端１０７ｂが基板１０１から離れる方向にさらに変位す
ることになる。電圧Ｖ_bを高めることにより可動片１０
７の接触面積が増すにしたがい、梁１２１のれじれ角も
より大きくなって、可動片１０７の他端１０７ｂの変位
量が増す。

【００２９】ここで可動片１０７の一端側からの接触距
離をＬで表わすこととすると、接触距離Ｌと固定電極１
０３への印加電圧Ｖ_bとの関係は、例えば図３に示すよ
うになる。この例では、固定電極１０３に電圧Ｖ_bを印
加しない状態では可動片１０７の一端１０７ａと誘電体
薄膜１０４とは接触しておらず、印加電圧Ｖ_bが３０Ｖ
となったときに、可動片１０７の一端１０７ａと誘電体
薄膜１０４が初めて接触する。もちろん、電圧Ｖ_bが０
Ｖと３０Ｖとの間にある場合も、電圧Ｖ_bに応じた静電
引力が可動片１０７に作用しており、この静電引力に応
じて梁１２１がねじれ、可動片１０７の他端１０７ｂが
変位している。印加電圧Ｖ_bを３０Ｖから上げていく
と、接触距離Ｌが増加する。

【００３０】この静電アクチュエータ１００では、可動
片１０７の一部が誘電体薄膜１０４に接触している状態
の方が、機械的振動などに対して強く、かつ、大きな静
電引力を可動片１０７に与えることができる。したがっ
て、可動片１０７の長手方向の一端１０７ａがちょうど
誘電体薄膜１０４に接するような電圧Ｖ_b（図３の例で
は３０Ｖ）をバイアス電圧として定常的に印加し、変位
量調節のための駆動電圧をこのバイアス電圧に重畳させ
ることによって変位量制御を行なうようにすることが望
ましい。

【００３１】次に、図４を用いてこの静電アクチュエー
タ１００の製造工程の一例を説明する。

【００３２】まず、シリコン（Ｓｉ）からなる基板１０
１上に、シリコン窒化膜を減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）に
より３００ｎｍ厚に成膜し、絶縁層１０２を形成した
（図４(A)）。固定電極１０３となるべきポリシリコン
膜をＬＰＣＶＤにより３００ｎｍ厚に成膜し、その後、
イオン注入法によりリン（Ｐ）のイオンをポリシリコン
膜に１×１０¹⁶個／ｃｍ²の密度で注入し、１１００℃
の窒素雰囲気中で１時間拡散処理を施した。この結果、
ポリシリコン膜のシート抵抗は１２Ω／ｃｍ²となっ
た。このポリシリコン膜にフォトレジストを塗布し、露
光・現像を行なうフォトリソグラフィプロセスを用いて
フォトレジストのパターニングを施し、フッ酸と硝酸の
混合水溶液によりポリシリコン膜をパターン形成し、そ
ののちフォトレジストを剥離し、固定電極１０３を形成
した（図４(B)）。

【００３３】次に、酸化シリコン層をスパッタリング法
により２００ｎｍ厚で全面に堆積させ、誘電体薄膜１０
４を形成した。そして、スペーサ１０５となるべき層と
して、フォトレジスト１４１をスピンコーターにより３
μｍ厚で全面に塗布した（図４(C)）。フォトジスト１
４１としては、ヘキスト（Hoechst）社製のポジ型フォ
トレジストＡＺ１３５０Ｊ（商品名）を使用した。フォ
トレジスト１４１上に真空蒸着法によって厚さ３００ｎ
ｍのアルミニウム（Ａｌ）層１４２を堆積させ（図４
(D)）、スパッタリングによりアルミニウム層１４２上
に酸化シリコン膜１５１を２００ｎｍ厚で堆積させた
（図４(E)）。

【００３４】そして、配線層１５２となるべきアルミニ
ウム層を真空蒸着法によって形成し、その上にフォトレ
ジスト１４３を塗布し、フォトリソグラフイプロセスに
よりフォトレジスト１４３をパターニングし、その後、
アルミニウム層のパターニングを行なって配線層１５２
を形成した（図４(F)）。アルミニウム層のパターニン
グは、りん酸、硝酸および酢酸の混合水溶液からなるエ
ッチャントを用い、このエッチャントを５０℃に加熱す
ることによって行なった。

【００３５】次に、フォトリソグラフィプロセスにより
パターニングを行ない、ＣＦ₄ガスを使用する反応性イ
オンエッチング法により、酸化シリコン膜１５１をエッ
チングして所定の形状に形成した（図４(G)）。続い
て、フォトリソグラフイプロセスによりパターニングを
行ない、りん酸、硝酸および酢酸の混合水溶液でアルミ
ニウム層１４２をエッチングし、可動片１０７、支持体
１０８および梁１２１を形成した（図４(H)）。

【００３６】そして、シャドウマスクを介いて金属を蒸
着する方法（米国特許第４,９０６,８４０号明細書参
照）によって配線層１５２上にプローブ１５０を作製
し、酸素プラズマを用いる反応性イオンエッチング法に
よって、フォトレジスト１４１,１４３をエッチングし
た。このとき、フォトレジスト１４３は完全に除去され
るようにし、またフォトレジスト１４１については、可
動片１０７と固定電極１０３にはさまれる部分とこの部
分の近傍の部分が除去されて、スペーサ１０５および空
隙１０６が形成されるようにした。このときのエッチン
グ条件は、酸素流量１００ｃｃｍ以上、エッチング時の
ガス圧力２０Ｐａ以上とし、サイドエッチングが進行し
やすいものとした。

【００３７】以上の作製工程により、図４(I)に示すト
ーションレバー型静電アクチュエータを得ることができ
た。作製した静電アクチュエータ１００は、梁１２１の
幅３.５μｍ、長さ１０μｍであり、可動片１０７の長
手方向の長さ４２μｍ、幅３０μｍであった。

【００３８】次に、上述の静電アクチュエータ１００を
利用した情報処理装置について、図５を用いて説明す
る。この情報処理装置は、記録媒体２０５に対して情報
の記録と再生を行なうものである。

【００３９】記録媒体２０５は、表面に露出している記
録層２０３と、記録層２０３の下側に設けられた下部電
極層２０２と、記録媒体２０５の表面に設けられたトラ
ッキング溝２０４とによって構成されており、記録媒体
２０５をその面内方向（ＸＹ方向）に駆動させるための
ステージ２０１の上に取り付けられている。静電アクチ
ュエータ１００は、記録層２０３とプローブ１５０との
間にトンネル電流が流れる程度にまで、その可動片１０
７に形成されているプローブ１５０の先端が記録層２０
３の表面に接近するように、記録層２０３に対向して配
置されている。ここでは、静電アクチュエータ１００と
して、可動片１０７の寸法が、長さ３４０μｍ、幅５０
μｍ、厚さ１５μｍであるものを用いた。ここでは簡単
のため、静電アクチュエータ１００を支える構造体など
は図示していない。

【００４０】プローブ１５０は、静電アクチュエータ１
００上の配線層を通じて、電流電圧変換アンプ２０７の
入力に接続されている。電流電圧変換アンプ２０７の出
力は、高域通過フィルタ（ＨＰＦ）２０８、エッジ検出
用コンパレータ２１０、誤差増幅器２１３に入力してい
る。高域通過フィルタ２０８の出力は、コンパレータ２
０９を介してデータ変復調器２１１に入力している。コ
ンパレータ２０９の基準電圧は、電圧閾値Ｖ₂である。
誤差増幅器２１３は、基準電圧Ｖ_refと入力電圧（電流
電圧変換アンプ２０７の出力）とを比較してその誤差成
分に応じた出力を発生するものであり、誤差増幅器２１
３の出力は、ゲインアンプ２１４で増幅されて、静電ア
クチュエータ１００の固定電極１０３に印加されるよう
になっている。このように構成することにより、静電ア
クチュエータ１００がトンネル電流値に応じてフィード
バック制御され、トンネル電流値が一定となるように、
すなわちプローブ１５０の先端と記録層２０３の表面と
の距離が一定値を保つように、制御される。

【００４１】データ変復調部２１１の内部には記録制御
部２２２が設けられており、記録制御部２２２からのデ
ータ変調出力は、記録パルスを発生するためのパルス発
生器２１２に接続されている。パルス発生器２１２の出
力は、容量Ｃ₁を介して、記録媒体２０５の下部電極層
２０３に接続されている。下部電極層２０３には、抵抗
Ｒ₁を介して、直流バイアス電圧Ｖ_B1を生成する電源２
２３も接続されている。

【００４２】ステージ２０１のＸ方向およびＹ方向への
移動を制御するためのトラッキング制御部２１５が設け
られており、トラッキング制御部２１５からは、トラッ
ク移動ステータス信号、アップ制御信号、ダウン制御信
号、ウォブリング電圧信号が出力するようになってい
る。エッジ検出用コンパレータ２１０は、基準電圧をス
レッショルド電圧Ｖ₃とするものであり、その出力はト
ラック移動ステータス信号とともにアンド回路２１６に
入力するようになっている。アンド回路２１６の出力は
アップ制御信号とともにオア回路２１７に入力し、オア
回路２１７の出力はアップダウンカウンタ２１８のアッ
プ入力端子に入力する。また、ダウン制御信号は、アッ
プダウンカウンタ２１８のダウン入力端子に入力する。
アップダウンカウンタ２１８の出力側には、Ｄ／Ａ変換
器２１９が設けられている。Ｄ／Ａ変換器２１９の出力
は、アンプ２２１を介して、ステージ２０１のＸ方向の
制御に使用される。また、ウォブリング信号が抵抗Ｒ₂
を介して入力するアンプ２２０が設けられ、アンプ２２
０の出力は、ステージ２０１のＹ方向の制御に使用され
る。さらに、走査方位制御信号で制御される可変抵抗Ｖ
Ｒ₁が、アンプ２２０,２２１の各入力端子の間に挿入さ
れている。

【００４３】次に、再生時における動作を説明する。記
録媒体２０５上をプローブ１５０で２次元走査した状態
でプローブ１５０により検出されたトンネル電流は、電
流電圧変換アンプ２０７により増幅された後、高城通過
フィルタ２０８により、高域周波数成分すなわちデータ
情報成分を抽出される。そしてコンパレータ２０９によ
り電圧閾値Ｖ₂と比較され、２値化されたデータに変換
され、データ変復調部２１１に入力する。一方、記録媒
体２０５に対する情報の書込み（記録）は、記録媒体２
０５上をプローブ１５０で２次元走査した状態で、記録
制御部２２２からの指令により、記録情報の正に対応し
た位置でパルス発生器２１２より書込みパルスを発生
し、記録情報の負に対応した位置ではそのまま通過させ
ることによって、行なわれる。

【００４４】ところで、トンネル電流（電圧）信号は、
エッジ検出用コンパレータ２１０によりスレッショルド
電圧Ｖ₃と比較される。プローブ１５０が記録媒体２０
５のエッジ部分にさしかかった時にはトンネル電流が急
激に変化するので、その変化の検出でエッジ位置の検出
が行える。その検出を知らせる信号をエッジ検出信号と
呼ぶこととする。記録・再生時には、エッジ検出信号は
アップダウンカウンタ２１８を強制的にアップカウント
動作に切換える。さらに一定のカウント値までアップカ
ウントした後、再びダウンカウントに切換える。

【００４５】この構成により、プローブ１５０をトラッ
クにまたがって移動させるトラック移動時には、トラッ
キング溝２０４の有無は無視されて走査方向が変わるこ
とはなく、また、トラッキング制御部２１５からもアッ
プダウンカウンタ２１８のアップ／ダウン動作を制御す
ることができる。アップダウンカウンタ２１８のカウン
ト出力は、Ｄ／Ａ変換器２１９によりアナログ電圧に変
換され、ステージ２０１をΔＸ駆動する。さらに、Ｄ／
Ａ変換器２１９の出力は、走査方位制御信号で制御され
る可変抵抗ＶＲ₁を介して、ステージ２０１をΔＹ駆動
する。プローブ１５０のＸＹ平面内での走査方位の調節
は、可変抵抗ＶＲ₁を変化させステージ２０１のΔＸ／
ΔＹの駆動比を変えることによって行なわれる。また、
記録媒体２０５上の記録ビット列上を適正になぞるよう
な走査方位の検出は、ウォブリング電圧によってΔＹ駆
動を行ない、そのときのトンネル電流（電圧）信号のエ
ンベロープ信号をモニタすることによって行なわれる。

【００４６】以上説明した第１実施例では誘電体薄膜と
してシリコン酸化膜を用いたが、この他、誘電体薄膜の
材料として、ＳｉＮ,ＺｒＯ₂,ＴｉＯ₂,ＭｇＯ,Ａｌ
₂Ｏ₃,ＳｉＣ,ＳｉＯＮ,ＡｌＮ,ＺｎＯなどの電気的絶縁
性を有する材料を使用することができる。静電アクチュ
エータにおける変位量制御のための駆動電圧の低減は、
誘電率の大きな材料を誘電体薄膜に用いることにより達
成できる。すなわち、可動片が誘電体薄膜と接触してい
る際の静電引力は誘電体薄膜の誘電率に比例することか
ら、誘電率の大きな絶縁性薄膜材料を用いることによ
り、駆動電圧を低減することが可能となる。このような
強誘電体材料としては、ＴｉＢａＯ,ＰｂＺｒＴｉＯ,Ｐ
ｂＴｉＯなど、薄膜作製が可能な材料が挙げられる。ま
た、固定電極上に有機高分子薄膜を薄膜形成し、さらに
この上に、可動片および梁の下部の空隙を作製する際の
有機高分子薄膜のエッチングを阻止するような薄膜、例
えばシリコン酸化膜を形成することにより、誘電体薄膜
として有機高分子薄膜を用いることも可能である。有機
高分子薄膜としてはポリイミド、ポリアミド、ＰＭＭＡ
などの絶縁性を有するものであればよく、強誘電性を示
すＰＶＤＦ、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）などの高分子材料
を用いることにより、駆動電圧を低減することが可能で
ある。また本実施例では誘電体薄膜を固定電極上に設け
たが、可動片の基板側の面に設けてもよいことは、当然
のことである。

【００４７】上述した静電アクチュエータを使用した情
報処理装置では、極めて小型かつ軽量に、プローブをア
レイ化することすなわちマルチプローブ構成とすること
が可能である。この場合、静電アクチュエータはプロー
ブごとに設けられ、かつ独立して変位量が制御される。

【００４８】《第２実施例》次に、本発明の第２実施例
の静電アクチュエータについて説明する。図６は、この
静電アクチュエータ１８０を示す要部破断斜視図であ
る。この静電アクチュエータ１８０は、トーションレバ
ー型のものであって、走査型トンネル顕微鏡に使用され
るものであり、第１実施例のものと同様の構成である
が、スペーサや支持体が設けられていない点で相違す
る。そのため、梁１２１の端部を支持する支持部材１８
１が、誘電体薄膜１０４上に設けられている。支持部材
１８１は、Ｌ字型のものであって、可動片１０７が誘電
体薄膜１０４に対して空隙を介して配置されるようにす
るためのものである。また、可動片１０７には、第１実
施例と同様に、プローブ（プローブ電極）１５０が設け
られている。

【００４９】次に、この静電アクチュエータ１８０を使
用した走査型トンネル顕微鏡について説明する。図７
は、この走査型トンネル顕微鏡の構成を示すブロック図
である。

【００５０】表面を観察する導電性の試料３０５は、こ
の試料３０５をＸＹ方向（試料３０５の面内方向）に微
動させる微動機構３０６の上に配置されている。一方、
静電アクチュエータ１８０は、静電アクチュエータ１８
０をＺ方向（試料方向）に駆動するための粗動用圧電素
子３０３に、試料３０５と対向するようにして、取り付
けられている。粗動用圧電素子３０３は、粗動用圧電素
子３０３を試料表面に接近させるための接近機構３０４
に取り付けられている。接近機構３０４は、Ｚ方向の移
動ステージであって、手動もあしくはモータによって駆
動されるようになっている。

【００５１】試料３０５とプローブ１５０との間にバイ
アス電圧を印加するバイアス回路３０８と、試料３０５
とプローブ１５０間に流れるトンネル電流を検出するト
ンネル電流検出回路３０９が設けられている。トンネル
電流検出回路３０９の出力は、制御回路３１２に入力す
るとともに、Ｚ方向サーボ回路３１０に入力する。Ｚ方
向サーボ回路３１０は、静電アクチュエータ１８０をフ
ィードバック制御するためのものであり、トンネル電流
値に応じて可動片１０７と固定電極１０３との間に電圧
を印加するように構成されている。さらに、粗動用圧電
素子３０３と微動機構３０６をそれぞれ駆動するＺ方向
粗動駆動回路３０７とＸＹ微動駆動回路３１１が設けら
れている。これらＺ方向粗動駆動回路３０７とＸＹ微動
駆動回路３１１は、制御回路３１２によって制御され
る。制御回路３１２にはディスプレイ３１３が接続され
ている。

【００５２】次に、この走査型トンネル顕微鏡の動作を
説明する。まず、プローブ１５０が試料３０５の表面に
対して粗動用圧電素子３０３のストローク内に入るよう
に、接近機構３０４を操作する。粗動用圧電素子３０３
をＺ方向粗動駆動回路３０７を用いて駆動制御し、静電
アクチュエータ１８０に対するサーボ制御を行ない粗動
用圧電素子３０３を伸張させ、プローブ１８０と試料３
０５との間にトンネル電流が流れるのを検出した時点で
伸張を停止させる。このように操作することによって、
観察準備が整ったことになる。

【００５３】試料３０５の観察時には、バイアス回路３
０８によりバイアス電圧を印加し、このときに試料３０
５とプローブ１８０との間に流れるトンネル電流をトン
ネル電流検出回路３０９により検出する。Ｚ方向サーボ
回路３１０により、トンネル電流が一定となるような電
圧が静電アクチュエータ１８０に印加されており、これ
によってプローブ１８０のＺ方向の位置が制御されてい
る。この状態で微動機構３０６をＸＹ微動駆動回路３１
１によってＸＹ方向に走査することにより、試料３０５
表面の微小な凹凸により変化したサーボ電圧が検出され
る。このサーボ電圧の変化を制御回路３１２に取り込
み、ＸＹ走査信号に同期して処理すれば、定電流モード
のＳＴＭ像（トポグラフィック像）が得られる。観察場
所を変えるときは、微動機構８０６をＸＹ微動駆動回路
８１１によりＸＹ方向に移動させ、所望の領域にプロー
ブ１８０がくるようにして観察を行なう。

【００５４】試料３０５表面の微小な凹凸により変化し
たトンネル電流を検出するコンスタントハイトモードに
おいても、この走査型トンネル顕微鏡が対応できること
は言うまでもない。本実施例の走査型トンネル顕微鏡を
用いることにより、試料表面の観察を正確にかつ安定し
て行なうことが可能になった。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように本発明の静電アクチ
ュエータは、空隙を介して固定電極と可動片とを配置
し、固定電極と可動片との間に誘電体薄膜を設け、固定
電極に印加される電圧が所定値となった場合に可動片の
一端側が誘電体薄膜を介して固定電極に接触するように
することにより、印加電圧に応じて接触面積が変化しこ
れに応じて可動片の他端側が変位することになるので、
小さな駆動電圧によって大きな変位量が得られるように
なるという効果がある。これによって、各部分の電気的
耐圧を高める必要がなくなって、装置の小型化を達成す
ることができる。

【００５６】本発明の情報処理装置は、本発明の静電ア
クチュエータを使用することにより、駆動電圧の低電圧
化が図れて装置が小型化し、これによってコストが低下
し、また容易にマルチプローブ化を達成できるという効
果がある。

【００５７】本発明の走査型トンネル顕微鏡は、本発明
の静電アクチュエータを使用することにより、駆動電圧
の低電圧化が図れて装置が小型化し、これによってコス
トが低下するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】(A)は本発明の第１実施例の静電アクチュエー
タの上面図、(B)は図１(A)のＡ-Ａ'線での断面図、(C)
は動作時でのＡ-Ａ'線断面図である。

【図２】図１の静電アクチュエータの動作原理を説明す
る模式断面図である。

【図３】図１の静電アクチュエータにおける印加電圧と
接触距離との関係を示す特性図である。

【図４】(A)〜(I)はそれぞれ図１の静電アクチュエータ
の製造工程を示す模式断面図である。

【図５】図１の静電アクチュエータを使用した情報処理
装置の構成を示すブロック図である。

【図６】本発明の第２実施例の静電アクチュエータの構
成を示す要部破断斜視図である。

【図７】図２の静電アクチュエータを使用した走査型ト
ンネル顕微鏡の構成を示すブロック図である。

【図８】従来のカンチレバー型の静電アクチュエータの
構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１００,１８０静電アクチュエータ１０１基板１０２絶縁層１０３固定電極１０４誘電体薄膜１０５スペーサ１０６空隙１０７可動片１０８支持体１１９中心開口１２１梁１５０プローブ１８１支持部材２０１ステージ２０２下部電極層２０３記録層２０５記録媒体２０７電流電圧変換アンプ２０８高域通過フィルタ２１１データ変復調器２１２パルス発生器２１３誤差増幅器２１４ゲインアンプ２１５トラッキング制御部２１８アップダウンカウンタ２２２記録制御部２２３電源３０３粗動用圧電素子３０４接近機構３０５試料３０６微動機構３０７Ｚ方向粗動駆動回路３０８バイアス回路３０９トンネル電流検出回路３１０Ｚ方向サーボ回路３１１ＸＹ微動駆動回路３１２制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０１Ｂ 21/30 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定電極と、前記固定電極に対して空隙
を介して対向配置され導電体からなる可動片と、前記可
動片を支持する支持部と、前記固定電極および前記可動
片の間に設けられた誘電体薄膜とを有し、前記固定電極
に印加される電圧が所定値となった場合に前記可動片の
一部が前記誘電体薄膜を介して前記固定電極に接触し、
前記固定電極に印加される電圧の変化に応じて前記可動
片と前記固定電極との接触部分の面積が増減する静電ア
クチュエータ。
【請求項２】前記支持部が、前記固定電極の表面に対
して平行な面内にある軸を中心として前記可動片が回転
し得るように、両持ち梁として前記可動片を支持する請
求項１に記載の静電アクチュエータ。
【請求項３】前記可動片上の部位であって、前記支持
部に対して前記接触部分とは反対側の部位に、変位対象
物が保持される請求項１または２に記載の静電アクチュ
エータ。
【請求項４】前記誘電体薄膜が強誘電体材料からなる
請求項１ないし３いずれか１項に記載の静電アクチュエ
ータ。
【請求項５】前記誘電体薄膜が有機高分子薄膜からな
る請求項１ないし３いずれか１項に記載の静電アクチュ
エータ。
【請求項６】前記可動片がアルミニウム薄膜からなる
請求項１ないし３いずれか１項に記載の静電アクチュエ
ータ。
【請求項７】請求項３に記載の静電アクチュエータを
使用し、前記変位対象物としてのプローブを有し、前記
静電アクチュエータによって前記プローブの位置制御を
行ないながら前記プローブに作用する物理相互作用に基
づいた処理を行なう情報処理装置。
【請求項８】請求項３に記載の静電アクチュエータ
と、前記変位対象物としてのプローブと、前記プローブ
に対向して配置された記録媒体と、前記記録媒体と前記
プローブとを前記記録媒体の面内方向に移動させる移動
手段と、前記固定電極に駆動電圧を印加する電圧印加手
段と、前記プローブと前記記録媒体との間の物理相互作
用に基づいて前記記録媒体から少なくとも情報の再生を
行なう再生手段とを有する情報処理装置。
【請求項９】複数の前記静電アクチュエータが設けら
れ、前記各静電アクチュエータが独立に制御される請求
項７または８に記載の情報処理装置。
【請求項１０】請求項３に記載の静電アクチュエータ
と、前記変位対象物として設けられ試料に対向するプロ
ーブと、前記試料と前記プローブとを前記試料の面内方
向に移動させる移動手段と、前記固定電極に駆動電圧を
印加する電圧印加手段と、前記プローブと前記試料との
間に電圧を印加して前記プローブと前記試料との間に流
れるトンネル電流を検出する検出手段とを有する走査型
トンネル顕微鏡。