JP2547869B2 - プローブユニット，該プローブの駆動方法及び該プローブユニットを備えた走査型トンネル電流検知装置 - Google Patents
プローブユニット，該プローブの駆動方法及び該プローブユニットを備えた走査型トンネル電流検知装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔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
した高密度記録再生装置等の走査型トンネル電流検知装
置用のプローブユニツト及び該プローブユニツトに適し
たプローブの駆動方法、該プローブユニツトを備えた走
査型トンネル電流検知装置に関するものである。
した高密度記録再生装置等の走査型トンネル電流検知装
置用のプローブユニツト及び該プローブユニツトに適し
たプローブの駆動方法、該プローブユニツトを備えた走
査型トンネル電流検知装置に関するものである。
走査型トンネル顕微鏡（以下STMと略す）は先鋭な導
電性プローブを試料表面に数nm以下に近接させた時に、
その間の障壁を通り抜けて電流が流れるトンネル効果を
利用したもので、既に周知である。［G.Binnig et al.,
Helvetica Physica Acta,55,726（1982）、米国特許第4
343993号明細書etc.］ このプローブと試料表面間に電圧をかけて数nm以下に
接近させた時に流れるトンネル電流は、その距離に対し
て指数関数的に変化するのでトンネル電流を一定に保ち
プローブを試料表面（XY方向）に沿ってマトリクス走査
することにより、表面状態を原子オーダーの高分解能で
観察することができる。
電性プローブを試料表面に数nm以下に近接させた時に、
その間の障壁を通り抜けて電流が流れるトンネル効果を
利用したもので、既に周知である。［G.Binnig et al.,
Helvetica Physica Acta,55,726（1982）、米国特許第4
343993号明細書etc.］ このプローブと試料表面間に電圧をかけて数nm以下に
接近させた時に流れるトンネル電流は、その距離に対し
て指数関数的に変化するのでトンネル電流を一定に保ち
プローブを試料表面（XY方向）に沿ってマトリクス走査
することにより、表面状態を原子オーダーの高分解能で
観察することができる。
また、このSTMの原理を応用して高密度な記録再生装
置が特開昭63−161552号公報、特開昭63−161553号公報
に提案されている。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かける電圧を変化させて記録
を行うもので、記録媒体として電圧−電流特性において
メモリー性のあるスイツチング特性を有する材料、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。又再生はその記録を行った部分とそうでない
部分のトンネル抵抗の変化により行っている。
置が特開昭63−161552号公報、特開昭63−161553号公報
に提案されている。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かける電圧を変化させて記録
を行うもので、記録媒体として電圧−電流特性において
メモリー性のあるスイツチング特性を有する材料、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。又再生はその記録を行った部分とそうでない
部分のトンネル抵抗の変化により行っている。
この記録方式の記録媒体としては、プローブにかける
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。
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。
従来、プローブの形成手法として、半導体製造プロセ
スの技術を使い、一つの基板上に微細な構造を作る加工
技術［K.E.Peterson“Siliconas a Mechanical Materia
l",Proceedings of the IEEE,70（５）,420−457（198
2）］を利用し、このような手法により構成した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、XY方向に微動で
きる平行バネを形成し、さらにその可動部にプローブを
形成した舌状部を設け、舌状部と底面部に電界を与え静
電力により基板平面と直角な方向（Ｚ方向とする）に変
位するように構成されている。
スの技術を使い、一つの基板上に微細な構造を作る加工
技術［K.E.Peterson“Siliconas a Mechanical Materia
l",Proceedings of the IEEE,70（５）,420−457（198
2）］を利用し、このような手法により構成した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、XY方向に微動で
きる平行バネを形成し、さらにその可動部にプローブを
形成した舌状部を設け、舌状部と底面部に電界を与え静
電力により基板平面と直角な方向（Ｚ方向とする）に変
位するように構成されている。
又、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録装置が記載されている。
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録装置が記載されている。
しかしながら従来例の片持ち梁構造では、 （１）プローブは片持ち梁の先端に設けられているた
め、動作時の温度変化により、片持ち梁が熱膨張により
長手方向に伸縮したり、片持ち梁材料とその表面に設け
られた電極の材料の熱膨張率の差により変形し、プロー
ブの位置が微小にずれる傾向があった。
め、動作時の温度変化により、片持ち梁が熱膨張により
長手方向に伸縮したり、片持ち梁材料とその表面に設け
られた電極の材料の熱膨張率の差により変形し、プロー
ブの位置が微小にずれる傾向があった。
（２）プローブを形成した片持ち梁は製造時の内部応力
により、反りやねじれが生じ易く、精度良く形成するこ
とは難しい。又、経時変化により内部応力が緩和して変
形し易い。
により、反りやねじれが生じ易く、精度良く形成するこ
とは難しい。又、経時変化により内部応力が緩和して変
形し易い。
そのため片持ち梁では、原子レベルの精密な位置制御
が要求されるプローブの駆動機構としては不充分であ
る。
が要求されるプローブの駆動機構としては不充分であ
る。
例えば、前記の特開昭62−281138号公報に開示されて
いるような、片持ち梁をマルチに配列した場合、プロー
ブ相互の位置関係を精度良く保つことが要求されるが、
片持ち梁ではその要求を満たすことは難しかった。
いるような、片持ち梁をマルチに配列した場合、プロー
ブ相互の位置関係を精度良く保つことが要求されるが、
片持ち梁ではその要求を満たすことは難しかった。
（３）上記従来例では、基板に単結晶シリコンを用いた
微細加工により製造されており、基板が従来のものに限
定されると共に製造工程が多く長時間を要するため高価
になるという欠点があった。
微細加工により製造されており、基板が従来のものに限
定されると共に製造工程が多く長時間を要するため高価
になるという欠点があった。
（４）さらにプローブの駆動の構成としてXY方向に微動
する平行ヒンジ上に複数のプローブが載っているので各
々のプローブをＺ方向に駆動する時、その平行ヒンジの
剛性が少ないとその静電力により振られ、Ｚ方向の動き
がXY方向の動きに影響を与え、各々のプローブに相互干
渉が生じたりすることがあった。
する平行ヒンジ上に複数のプローブが載っているので各
々のプローブをＺ方向に駆動する時、その平行ヒンジの
剛性が少ないとその静電力により振られ、Ｚ方向の動き
がXY方向の動きに影響を与え、各々のプローブに相互干
渉が生じたりすることがあった。
そこで、本発明の目的は、上述した従来例の欠点を克
服し、とりわけプローブをマルチに配列して使用する際
に、動作時の温度変化による影響をほとんど受けること
なく、原子レベルでの精密な位置制御を可能とするプロ
ーブユニツトを提供することにある。
服し、とりわけプローブをマルチに配列して使用する際
に、動作時の温度変化による影響をほとんど受けること
なく、原子レベルでの精密な位置制御を可能とするプロ
ーブユニツトを提供することにある。
又、本発明の目的は、製造時に反りやねじれが出にく
く精度良く作成できるプローブユニツトを提供すること
にある。
く精度良く作成できるプローブユニツトを提供すること
にある。
又、本発明の目的は、該プローブに適した駆動方法も
提供することにある。
提供することにある。
さらに本発明の目的は、小さく設計され、低電圧で作
動し、しかも温度変化や外部の振動に対して影響を受け
にくく安定な走査を行うことが可能な走査型トンネル電
流検知装置を提供することにある。
動し、しかも温度変化や外部の振動に対して影響を受け
にくく安定な走査を行うことが可能な走査型トンネル電
流検知装置を提供することにある。
上記の目的は以下の本発明によって達成される。
即ち本発明は、基板、基板上に形成された橋状の可撓
部、そして該可撓部に設けられたプローブとを有するプ
ローブユニツトであって、該プローブユニツトにさらに
前記プローブを基板面と垂直方向に変化させる駆動手段
を有することを特徴とするプローブユニツトである。
部、そして該可撓部に設けられたプローブとを有するプ
ローブユニツトであって、該プローブユニツトにさらに
前記プローブを基板面と垂直方向に変化させる駆動手段
を有することを特徴とするプローブユニツトである。
又本発明は、基板、基板上に形成された第１の電極、
該第１の電極と空洞部により絶縁され基板上に形成され
ている橋状の可撓部及び該可撓部に設けられたプローブ
とを有するプローブユニツトであって、該可撓部が第２
の電極層、絶縁層、プローブに電圧を印加するための電
極層を有する積層体で構成されていることを特徴とする
プローブユニツトであり、かかるプローブユニツトに対
し、該第１の電極と、第２の電極間に電圧を印加するこ
とにより、静電気力で、該プローブを基板面と垂直方向
に移動させることを特徴とするプローブの駆動方法であ
る。
該第１の電極と空洞部により絶縁され基板上に形成され
ている橋状の可撓部及び該可撓部に設けられたプローブ
とを有するプローブユニツトであって、該可撓部が第２
の電極層、絶縁層、プローブに電圧を印加するための電
極層を有する積層体で構成されていることを特徴とする
プローブユニツトであり、かかるプローブユニツトに対
し、該第１の電極と、第２の電極間に電圧を印加するこ
とにより、静電気力で、該プローブを基板面と垂直方向
に移動させることを特徴とするプローブの駆動方法であ
る。
更に本発明は、基板、基板上に形成された第１の電
極、該第１の電極上に形成された圧電体層、基板上に形
成されている橋状の可撓部、及び該可撓部に設けられた
プローブとを有するプローブユニツトであって、該可撓
部が第２の電極層、絶縁層、プローブに電圧を印加する
ための電極層を有する積層体で構成されており、前記第
１の電極と第２の電極層はそれぞれ該圧電体層をはさん
で対向位置に接して形成されていることを特徴とするプ
ローブユニツトであり、かかるプローブユニツトに対
し、該第１の電極と第２の電極間に電圧を印加すること
により、圧電効果で該プローブを基板面と垂直方向に移
動させることを特徴とするプローブの駆動方法である。
極、該第１の電極上に形成された圧電体層、基板上に形
成されている橋状の可撓部、及び該可撓部に設けられた
プローブとを有するプローブユニツトであって、該可撓
部が第２の電極層、絶縁層、プローブに電圧を印加する
ための電極層を有する積層体で構成されており、前記第
１の電極と第２の電極層はそれぞれ該圧電体層をはさん
で対向位置に接して形成されていることを特徴とするプ
ローブユニツトであり、かかるプローブユニツトに対
し、該第１の電極と第２の電極間に電圧を印加すること
により、圧電効果で該プローブを基板面と垂直方向に移
動させることを特徴とするプローブの駆動方法である。
本発明は、基板、基板上に形成された橋状の可撓部及
び該可撓部に設けられたプローブとを有するプローブユ
ニツトであって、該可撓部が、梁構造体層、第１の電極
層、圧電材料層、第２の電極層、絶縁層、プローブに電
圧を印加する電極層の積層体で構成されていることを特
徴とするプローブユニツトであり、かかるプローブユニ
ツトに対し、該第１の電極と第２の電極間に電圧を印加
することにより、圧電効果で該プローブを基板面と垂直
方向に移動させることを特徴とするプローブの駆動方法
である。
び該可撓部に設けられたプローブとを有するプローブユ
ニツトであって、該可撓部が、梁構造体層、第１の電極
層、圧電材料層、第２の電極層、絶縁層、プローブに電
圧を印加する電極層の積層体で構成されていることを特
徴とするプローブユニツトであり、かかるプローブユニ
ツトに対し、該第１の電極と第２の電極間に電圧を印加
することにより、圧電効果で該プローブを基板面と垂直
方向に移動させることを特徴とするプローブの駆動方法
である。
本発明は、基板、基板上に形成された橋状の可撓部及
び該可撓部に設けられたプローブとを有し、該プローブ
を基板に対して変位させるための駆動機構を有するプロ
ーブユニツト、該プローブと測定される試料との間の距
離を調整する手段及び該プローブと試料との間に電圧を
印加する手段とを備えたことを特徴とする走査型トンネ
ル電流検知装置である。
び該可撓部に設けられたプローブとを有し、該プローブ
を基板に対して変位させるための駆動機構を有するプロ
ーブユニツト、該プローブと測定される試料との間の距
離を調整する手段及び該プローブと試料との間に電圧を
印加する手段とを備えたことを特徴とする走査型トンネ
ル電流検知装置である。
本発明でいう、橋状の可撓部とは、可撓部分の両端が
基板上に固定された両端固定はり構造となっている。
基板上に固定された両端固定はり構造となっている。
そして前記可撓部は具体的には電極層、絶縁層、プロ
ーブに電圧を印加するための電極層を少なくとも有する
積層体から構成されており、該積層体が少なくとも２つ
以上の支持体で基板に接続されている構造となつてい
る。可撓部分の形状は任意でよい。
ーブに電圧を印加するための電極層を少なくとも有する
積層体から構成されており、該積層体が少なくとも２つ
以上の支持体で基板に接続されている構造となつてい
る。可撓部分の形状は任意でよい。
プローブが基板上に形成された可撓部上に形成されて
いるため、該可撓部における固有振動数を高くすること
により、外部の振動の影響を少なくして、該プローブを
走査させることができる。
いるため、該可撓部における固有振動数を高くすること
により、外部の振動の影響を少なくして、該プローブを
走査させることができる。
また、本発明の構造のプローブユニツトは、基板上に
電極層、絶縁層、プローブに電圧を印加するための電極
層の各層を積層させた後、フオトリソグラフイー技術を
用いて加工、エツチング処理をして得られるため、プロ
ーブユニツト製造時に、可撓部に反りやねじれが生じる
ことのないプローブユニツトが提供できる。
電極層、絶縁層、プローブに電圧を印加するための電極
層の各層を積層させた後、フオトリソグラフイー技術を
用いて加工、エツチング処理をして得られるため、プロ
ーブユニツト製造時に、可撓部に反りやねじれが生じる
ことのないプローブユニツトが提供できる。
一方、本発明のプローブユニツトに適した駆動手段と
しては、静電力を利用した駆動手段と圧電効果を利用し
た駆動手段が挙げられるが、圧電効果を利用した駆動手
段の方がプローブのストロークを大きくすることができ
るため、とりわけ好ましい。
しては、静電力を利用した駆動手段と圧電効果を利用し
た駆動手段が挙げられるが、圧電効果を利用した駆動手
段の方がプローブのストロークを大きくすることができ
るため、とりわけ好ましい。
上記各プローブユニツト及び駆動方法を、以下実施例
で詳しく説明する。
で詳しく説明する。
〔実施例１〕 本発明の実施例について図面を参照して説明する。第
１図及び第２図は本発明のプローブユニツトの実施例を
説明するための断面図及び平面図であり、基板１の上に
下部電極２が設けられており、さらに支持体３が下部電
極２の上部及び近傍に於いてエツチングされており、空
洞部８を有している。それにより上部電極４、絶縁膜
５、及びプローブ電極材料６が橋状に形成されている。
さらにプローブ電極上にはトンネル効果による電流を検
知するプローブ７が設けられている。ここでプローブの
位置は橋の支持体３から等しい距離に設定されている。
プローブ７を基板平面に対して垂直方向に駆動する力は
静電力であり、下部電極２及び上部電極４に電圧を加え
る事により変位させるものである。又、プローブの変位
機構は橋状の両持ちばりで構成されているため真に基板
面に対して垂直に変位可能である。
１図及び第２図は本発明のプローブユニツトの実施例を
説明するための断面図及び平面図であり、基板１の上に
下部電極２が設けられており、さらに支持体３が下部電
極２の上部及び近傍に於いてエツチングされており、空
洞部８を有している。それにより上部電極４、絶縁膜
５、及びプローブ電極材料６が橋状に形成されている。
さらにプローブ電極上にはトンネル効果による電流を検
知するプローブ７が設けられている。ここでプローブの
位置は橋の支持体３から等しい距離に設定されている。
プローブ７を基板平面に対して垂直方向に駆動する力は
静電力であり、下部電極２及び上部電極４に電圧を加え
る事により変位させるものである。又、プローブの変位
機構は橋状の両持ちばりで構成されているため真に基板
面に対して垂直に変位可能である。
又、絶縁膜５はトンネル電流が生じるプローブ７及び
プローブ７と導通をとるためのプローブ電極６と上部電
極４との絶縁をとるために設けられている。
プローブ７と導通をとるためのプローブ電極６と上部電
極４との絶縁をとるために設けられている。
例えば橋の長さが200μｍであり、幅が20μｍであ
り、厚さが１μｍ程度で電極間距離が３μｍであった場
合に前述の下部と上部電極間に50Vの電圧を印加する
と、基板面に対し垂直（Ｚ軸）方向に１μｍ程度の変位
を生じることができる。又この構造にすると可撓部にお
ける共振周波数は200KHzと高い値を示すようになり、該
可撓部を有するプローブは外部の振動の影響を少なくし
て走査することができる。
り、厚さが１μｍ程度で電極間距離が３μｍであった場
合に前述の下部と上部電極間に50Vの電圧を印加する
と、基板面に対し垂直（Ｚ軸）方向に１μｍ程度の変位
を生じることができる。又この構造にすると可撓部にお
ける共振周波数は200KHzと高い値を示すようになり、該
可撓部を有するプローブは外部の振動の影響を少なくし
て走査することができる。
本構造のプローブユニツトの駆動法は、具体的に以下
のようになる。
のようになる。
最初に数10Vのオフセツト電圧を与えておき、その電
圧を小さくすると、橋状の両持ちばり上のプローブは弾
性により復帰し、Ｚ軸方向に突出する方向に移動し、逆
に電圧を増してゆくと吸引力がさらに強まりプローブは
引っ込む方向に移動することで、Ｚ軸方向への駆動が可
能となる。
圧を小さくすると、橋状の両持ちばり上のプローブは弾
性により復帰し、Ｚ軸方向に突出する方向に移動し、逆
に電圧を増してゆくと吸引力がさらに強まりプローブは
引っ込む方向に移動することで、Ｚ軸方向への駆動が可
能となる。
次に、第３図を用いて第１図、第２図に示したプロー
ブユニツトの形成工程について説明する。
ブユニツトの形成工程について説明する。
まず板厚1.1mmのコーニング社製7059ガラスを基板１
とし、これに真空蒸着法によりクロムを0.1μｍ堆積
し、フオトリソグラフイー技術を用いて加工することに
より、下部電極２を形成した。（工程ａ） 次に支持体３として銅、及び上部電極４としてチタ
ン、及び絶縁膜10としてシリコン酸化膜、及びプローブ
電極11としてチタン及びプローブ材料９としてタングス
テンを連続スパツタ法により各銅3.0μｍ、チタン0.2μ
ｍ、シリコン酸化膜0.6μｍ、チタン0.2μｍ、タングス
テン3.0μｍ堆積させた。（工程ｂ） 次にフオトリソグラフイー技術を用いることにより、
上述工程ｂの連続５層膜を順次、フツ化水素酸系エツチ
ング液により第２図の上部電極４のパターン状に加工し
た。続いてフオトリソグラフイー技術により下部電極２
の上部以外をフオトレジストで覆い、支持体３の銅を塩
酸系エツチング液により、オーバーエツチングさせ空洞
部８を形成した。（工程ｃ） ここで本実施例では支持体３は銅を用いているため、
下部電極２と絶縁がとれるようにパターン、あるいはオ
ーバエツチ状態を制御する必要がある。但し支持体３が
絶縁体の場合はこの限りではない。
とし、これに真空蒸着法によりクロムを0.1μｍ堆積
し、フオトリソグラフイー技術を用いて加工することに
より、下部電極２を形成した。（工程ａ） 次に支持体３として銅、及び上部電極４としてチタ
ン、及び絶縁膜10としてシリコン酸化膜、及びプローブ
電極11としてチタン及びプローブ材料９としてタングス
テンを連続スパツタ法により各銅3.0μｍ、チタン0.2μ
ｍ、シリコン酸化膜0.6μｍ、チタン0.2μｍ、タングス
テン3.0μｍ堆積させた。（工程ｂ） 次にフオトリソグラフイー技術を用いることにより、
上述工程ｂの連続５層膜を順次、フツ化水素酸系エツチ
ング液により第２図の上部電極４のパターン状に加工し
た。続いてフオトリソグラフイー技術により下部電極２
の上部以外をフオトレジストで覆い、支持体３の銅を塩
酸系エツチング液により、オーバーエツチングさせ空洞
部８を形成した。（工程ｃ） ここで本実施例では支持体３は銅を用いているため、
下部電極２と絶縁がとれるようにパターン、あるいはオ
ーバエツチ状態を制御する必要がある。但し支持体３が
絶縁体の場合はこの限りではない。
次に、フオトリソグラフイー技術を用いて、プローブ
電極11の第２図の６のパターンに加工した。続いてフオ
トリソグラフイー技術を用いて絶縁膜10を第２図の５の
パターンに加工した。さらにフオトリソグラフイー技術
を用いてプローブ材料９を苛性ソーダと赤血塩系のエツ
チング液でオーバーエツチさせタングステンのプローブ
７を形成して、プローブユニツトを得た。
電極11の第２図の６のパターンに加工した。続いてフオ
トリソグラフイー技術を用いて絶縁膜10を第２図の５の
パターンに加工した。さらにフオトリソグラフイー技術
を用いてプローブ材料９を苛性ソーダと赤血塩系のエツ
チング液でオーバーエツチさせタングステンのプローブ
７を形成して、プローブユニツトを得た。
上述したプローブユニツトはフオトリソグラフイー技
術と真空成膜技術を用いて形成されるもので有り、基板
に於いても安価な材料が使用でき、又大量に作製できる
ものである。さらに上部電極と下部電極間に電圧を印加
する手段を有すると、該プローブユニツトには、各プロ
ーブごとにＺ方向の変位機構が設けられることになり、
試料の凹凸やプローブ形成時の高さのずれを個別に調整
できるようになる。又両持ばりタイプのため基板平面に
対して真に垂直に変位ができること、さらに極めて高い
共振周波数を持っているというメリツトがある。
術と真空成膜技術を用いて形成されるもので有り、基板
に於いても安価な材料が使用でき、又大量に作製できる
ものである。さらに上部電極と下部電極間に電圧を印加
する手段を有すると、該プローブユニツトには、各プロ
ーブごとにＺ方向の変位機構が設けられることになり、
試料の凹凸やプローブ形成時の高さのずれを個別に調整
できるようになる。又両持ばりタイプのため基板平面に
対して真に垂直に変位ができること、さらに極めて高い
共振周波数を持っているというメリツトがある。
〔実施例２〕 次に、第２の実施例について説明する。
第４図及び第５図は本発明のプローブユニツトの第２
の実施例を説明するための断面図及び平面図であり、基
板１の上の支持体43が設けられており、支持体43は空洞
部49を有し、その空洞部に基板１と接して、下部電極42
と圧電体層44が設けられている。さらに、支持体43と圧
電体層44上に上部電極45、絶縁膜46、プローブ電極47が
橋状に形成されている。さらにプローブ電極上には、ト
ンネル効果による電流を検知するプローブ７が設けられ
ている。ここでプローブの位置は橋の支持体から等しい
距離に設定されている。プローブ７を基板平面に対して
垂直方向に駆動させるには、上部電極45と下部電極42に
電圧を印加し、圧電体層44を変位させればよい、上部電
極と下部電極の正負をかえることによりＺ軸方向の上下
変動が可能となる。又、プローブの変位機構は橋状の両
持ちばりで構成されているため真に基板面に対して垂直
に変位可能である。
の実施例を説明するための断面図及び平面図であり、基
板１の上の支持体43が設けられており、支持体43は空洞
部49を有し、その空洞部に基板１と接して、下部電極42
と圧電体層44が設けられている。さらに、支持体43と圧
電体層44上に上部電極45、絶縁膜46、プローブ電極47が
橋状に形成されている。さらにプローブ電極上には、ト
ンネル効果による電流を検知するプローブ７が設けられ
ている。ここでプローブの位置は橋の支持体から等しい
距離に設定されている。プローブ７を基板平面に対して
垂直方向に駆動させるには、上部電極45と下部電極42に
電圧を印加し、圧電体層44を変位させればよい、上部電
極と下部電極の正負をかえることによりＺ軸方向の上下
変動が可能となる。又、プローブの変位機構は橋状の両
持ちばりで構成されているため真に基板面に対して垂直
に変位可能である。
又、絶縁膜46はトンネル電流が生じるプローブ７及び
プローブ７と導通をとるためのプローブ電極47と上部電
極45との絶縁をとるために設けられている。
プローブ７と導通をとるためのプローブ電極47と上部電
極45との絶縁をとるために設けられている。
例えば橋の長さが200μｍであり、幅が20μｍであ
り、厚さが１μｍ程度で圧電体層高さが３μｍであった
場合に上部電極と下部電極間に30Vの電圧を印加する
と、Ｚ軸方向に１μｍ程度の変位を生じることができ
る。
り、厚さが１μｍ程度で圧電体層高さが３μｍであった
場合に上部電極と下部電極間に30Vの電圧を印加する
と、Ｚ軸方向に１μｍ程度の変位を生じることができ
る。
次に、第６図を用いて第４図及び第５図に示したプロ
ーブユニツトの形成工程について説明する。第６図は第
５図ａ−ａの製造工程断面図を示す。まず、板厚1.1mm
のコーニング社製7059ガラスを基板１とし、これに真空
蒸着法によりクロムを0.1μｍ堆積し、フオトリソグラ
フイー技術を用いて加工することにより、下部電極42を
形成した。（工程ａ） 次に支持体43,44として圧電材料であるAlNを、RFマグ
ネトロンスパツタ法を用いて、膜厚３μｍを形成した。
この時の条件は、ターゲツトAlN、背圧10-7,アルゴン圧
力５×10-3torr（N250％）、RFパワー5W/cm2、基板温度
350℃であった。
ーブユニツトの形成工程について説明する。第６図は第
５図ａ−ａの製造工程断面図を示す。まず、板厚1.1mm
のコーニング社製7059ガラスを基板１とし、これに真空
蒸着法によりクロムを0.1μｍ堆積し、フオトリソグラ
フイー技術を用いて加工することにより、下部電極42を
形成した。（工程ａ） 次に支持体43,44として圧電材料であるAlNを、RFマグ
ネトロンスパツタ法を用いて、膜厚３μｍを形成した。
この時の条件は、ターゲツトAlN、背圧10-7,アルゴン圧
力５×10-3torr（N250％）、RFパワー5W/cm2、基板温度
350℃であった。
さらに、支持体43,44上に上部電極45としてチタン、
絶縁膜46としてシリコン酸化膜、プローブ電極47として
チタン、プローブ材料48としてタングステンを連続スパ
ツタ法により各銅3.0μｍ、チタン0.2μｍ、シリコン酸
化膜0.6μｍ、チタン0.2μｍ、タングステン3.0μｍ堆
積させた。（工程ｂ） 次にフオトリソグラフイー技術を用いることにより、
上述工程ｂの連続５層膜を順次、フツ化水素酸系エツチ
ング液により第５図の上部電極45のパターン状に加工し
た。
絶縁膜46としてシリコン酸化膜、プローブ電極47として
チタン、プローブ材料48としてタングステンを連続スパ
ツタ法により各銅3.0μｍ、チタン0.2μｍ、シリコン酸
化膜0.6μｍ、チタン0.2μｍ、タングステン3.0μｍ堆
積させた。（工程ｂ） 次にフオトリソグラフイー技術を用いることにより、
上述工程ｂの連続５層膜を順次、フツ化水素酸系エツチ
ング液により第５図の上部電極45のパターン状に加工し
た。
さらにフオトリソグラフイー技術を用いて、プローブ
電極47、絶縁膜46を第５図のパターンに加工した。プロ
ーブ材料48についても同様に、第５図のプローブ電極47
のパターンに加工した。その後、空洞部49を得るため
に、残したい圧電体層44の両側の空洞部49の部分のすい
たフオトレジスト層61を作成した。（工程ｃ及びｄ（ｃ
は、平面図ｄのｃ−ｃ断面図）） 続いて、フオトリソグラフイー技術を用いて、支持体
及び圧電材料である43,44を、氷酢酸、硝酸水溶液で、
オーバーエツチングさせ、空洞部49を形成した。ここで
本実施例では支持体43,44に圧電材料であるAlNを用いて
いるため、下部電極42と絶縁がとれるように、また空洞
部49の形状を得るためにパターンあるいは、オーバーエ
ツチ状態を制御する必要がある。最後に、フオトリソグ
ラフイー技術を用いてプローブ材料48を、苛性ソーダと
赤血塩系のエツチング液でオーバーエツチさせタングス
テンプローブ７を形成し、プローブユニツトを得た。
（工程ｅ） 〔実施例３〕 本発明の第３の実施例を第７図を用いて説明する。
電極47、絶縁膜46を第５図のパターンに加工した。プロ
ーブ材料48についても同様に、第５図のプローブ電極47
のパターンに加工した。その後、空洞部49を得るため
に、残したい圧電体層44の両側の空洞部49の部分のすい
たフオトレジスト層61を作成した。（工程ｃ及びｄ（ｃ
は、平面図ｄのｃ−ｃ断面図）） 続いて、フオトリソグラフイー技術を用いて、支持体
及び圧電材料である43,44を、氷酢酸、硝酸水溶液で、
オーバーエツチングさせ、空洞部49を形成した。ここで
本実施例では支持体43,44に圧電材料であるAlNを用いて
いるため、下部電極42と絶縁がとれるように、また空洞
部49の形状を得るためにパターンあるいは、オーバーエ
ツチ状態を制御する必要がある。最後に、フオトリソグ
ラフイー技術を用いてプローブ材料48を、苛性ソーダと
赤血塩系のエツチング液でオーバーエツチさせタングス
テンプローブ７を形成し、プローブユニツトを得た。
（工程ｅ） 〔実施例３〕 本発明の第３の実施例を第７図を用いて説明する。
第７図において。１は基板、３は支持体、８は空洞部
であり、支持体より上部は、橋状の両持梁70を構成して
いる。両持梁70は、下より梁構造体層71、下部電極層7
2、圧電材料層73、上部電極層74、絶縁膜５、プローブ
に電圧を印加させる電極層６、トンネル効果電流の流れ
る導電性のプローブ７で構成されている。プローブ７
は、両持梁70の中心位置に設けられている。
であり、支持体より上部は、橋状の両持梁70を構成して
いる。両持梁70は、下より梁構造体層71、下部電極層7
2、圧電材料層73、上部電極層74、絶縁膜５、プローブ
に電圧を印加させる電極層６、トンネル効果電流の流れ
る導電性のプローブ７で構成されている。プローブ７
は、両持梁70の中心位置に設けられている。
プローブ７を基板平面に対して垂直方向（Ｚ方向）に
駆動する方法は、圧電材料73の伸縮を用いる。即ち、分
極処理した圧電材料73に下部電極72と上部電極74から電
圧を印加することにより、両持梁を長手方向に伸ばし梁
構造体層71との伸縮差で両持梁をたわませ、プローブ７
を駆動する。
駆動する方法は、圧電材料73の伸縮を用いる。即ち、分
極処理した圧電材料73に下部電極72と上部電極74から電
圧を印加することにより、両持梁を長手方向に伸ばし梁
構造体層71との伸縮差で両持梁をたわませ、プローブ７
を駆動する。
第８図は、上部プローブが複数並んで形成されている
のを示すものである。
のを示すものである。
第９図を用いて第７図に示したプローブユニツトの形
成工程について例を示す。
成工程について例を示す。
板厚1.1mmのガラス板を基板１とし、これに支持体３
として銅、梁構造体層71としてシリコン酸化膜、下部電
極72としてチタンを連続スパツタ法により各々銅3.0μ
ｍ、シリコン酸化膜３μｍ、チタン0.2μｍ堆積させ
た。次に圧電材料73として窒化アルミニウムをRFマグネ
トロンスパツタ法で３μｍ堆積させた。更に上部電極74
としてチタン、絶縁膜５としてシリコン酸化膜、プロー
ブに電圧を印加する電極層６としてチタン、プローブ材
料75としてタングステンを連続スパツタ法により各々チ
タン0.2μｍ、シリコン酸化膜0.6μｍ、チタン0.2μ
ｍ、タングステン3.0μｍ堆積させた。（工程ａ） 次に、フオトリソグラフイー技術を用い、上述工程ａ
の連続膜のうち、プローブ材料75から上部電極74までの
４層を順次フツ化水素系エツチング液により第７図
（ａ）の梁構造体層71のパターン形状に加工した。続い
て圧電材料（窒化アルミニウム）73を氷酢酸硝酸エツチ
ング液を用いて、同様に加工した。
として銅、梁構造体層71としてシリコン酸化膜、下部電
極72としてチタンを連続スパツタ法により各々銅3.0μ
ｍ、シリコン酸化膜３μｍ、チタン0.2μｍ堆積させ
た。次に圧電材料73として窒化アルミニウムをRFマグネ
トロンスパツタ法で３μｍ堆積させた。更に上部電極74
としてチタン、絶縁膜５としてシリコン酸化膜、プロー
ブに電圧を印加する電極層６としてチタン、プローブ材
料75としてタングステンを連続スパツタ法により各々チ
タン0.2μｍ、シリコン酸化膜0.6μｍ、チタン0.2μ
ｍ、タングステン3.0μｍ堆積させた。（工程ａ） 次に、フオトリソグラフイー技術を用い、上述工程ａ
の連続膜のうち、プローブ材料75から上部電極74までの
４層を順次フツ化水素系エツチング液により第７図
（ａ）の梁構造体層71のパターン形状に加工した。続い
て圧電材料（窒化アルミニウム）73を氷酢酸硝酸エツチ
ング液を用いて、同様に加工した。
更に、下部電極72から支持体３までの３層を順次フツ
化水素系エツチング液により加工した。次にフオトリソ
グラフイー技術により第９図（ａ）の空洞部８の上部以
外をフオトレジストで覆い、支持体３の銅を塩酸系エツ
チング液でオーバーエツチングを行い空洞部８を形成し
た。（工程ｂ） 次にフオトリソグラフイ技術でプローブに電圧を印加
する電極層６から支持体３までの８層を第７図（ａ）の
パターンに順次加工した。続いてプローブ材料75を苛性
ソーダと赤血塩系のエツチング液でオーバーエツチング
させ、タングステンのプローブ７を形成した。（工程
ｃ） 〔実施例４〕 前記実施例１〜３で示されるプローブユニツトを用い
て、トンネル電流検知装置に該プローブユニツトを組み
込んだ装置について説明する。
化水素系エツチング液により加工した。次にフオトリソ
グラフイー技術により第９図（ａ）の空洞部８の上部以
外をフオトレジストで覆い、支持体３の銅を塩酸系エツ
チング液でオーバーエツチングを行い空洞部８を形成し
た。（工程ｂ） 次にフオトリソグラフイ技術でプローブに電圧を印加
する電極層６から支持体３までの８層を第７図（ａ）の
パターンに順次加工した。続いてプローブ材料75を苛性
ソーダと赤血塩系のエツチング液でオーバーエツチング
させ、タングステンのプローブ７を形成した。（工程
ｃ） 〔実施例４〕 前記実施例１〜３で示されるプローブユニツトを用い
て、トンネル電流検知装置に該プローブユニツトを組み
込んだ装置について説明する。
第10図は、その装置の断面である。101は本発明の複
数のプローブを備えたプローブユニツトで、Ｚ軸粗動圧
電素子103に固定されており、Ｚ方向の粗動を行い、プ
ローブユニツト101を対向する試料102の表面にプローブ
にトンネル電流が検知できる距離まで接近させることが
出来る。Ｚ軸粗動圧電素子103が固定されている固定部
材104は、３本の傾き調整ねじ106で傾きを調整でき、プ
ローブユニツト101と試料102表面との平行度を補正す
る。105は平行ヒンジバネステージで第11図の平面図の
ように平行ばねを２段に直交させて組合わせた構造で中
央に載せた試料102をXY方向に自在に移動させることが
できる。その駆動は、圧電素子107,108で行っている。
このような構成にすればプローブユニツト101上の各々
のプローブにＺ軸駆動機構がついており、試料102の表
面の微少な凹凸、傾きに対して各々のプローブを独立に
動かして一定の距離に保ちながら、XY方向への走査が可
能になる。
数のプローブを備えたプローブユニツトで、Ｚ軸粗動圧
電素子103に固定されており、Ｚ方向の粗動を行い、プ
ローブユニツト101を対向する試料102の表面にプローブ
にトンネル電流が検知できる距離まで接近させることが
出来る。Ｚ軸粗動圧電素子103が固定されている固定部
材104は、３本の傾き調整ねじ106で傾きを調整でき、プ
ローブユニツト101と試料102表面との平行度を補正す
る。105は平行ヒンジバネステージで第11図の平面図の
ように平行ばねを２段に直交させて組合わせた構造で中
央に載せた試料102をXY方向に自在に移動させることが
できる。その駆動は、圧電素子107,108で行っている。
このような構成にすればプローブユニツト101上の各々
のプローブにＺ軸駆動機構がついており、試料102の表
面の微少な凹凸、傾きに対して各々のプローブを独立に
動かして一定の距離に保ちながら、XY方向への走査が可
能になる。
つまり、該実施例では試料側をXY方向に移動させ、プ
ローブはＺ方向にのみ可動する構成としているので、XY
方向の動きをＺ方向の動きが相互干渉することなく、よ
り安定な走査が可能となる。
ローブはＺ方向にのみ可動する構成としているので、XY
方向の動きをＺ方向の動きが相互干渉することなく、よ
り安定な走査が可能となる。
また、別の構成として第12図の断面図に示すように、
上記平行ヒンジバネステージ103の替わりに円筒型圧電
素子109を試料102のXY方向への微動ステージとして利用
することも出来る。プローブユニツト101は固定部材110
に固定され、円筒型圧電素子109に取付けられた試料102
の表面に対向している。
上記平行ヒンジバネステージ103の替わりに円筒型圧電
素子109を試料102のXY方向への微動ステージとして利用
することも出来る。プローブユニツト101は固定部材110
に固定され、円筒型圧電素子109に取付けられた試料102
の表面に対向している。
円筒型圧電素子109の円周表面には電極が図のようにX
Y方向に対向して４分割されており、対向した電極に逆
極性の電圧を印加すると対向した電極の方向に円筒が微
少に傾き、XY各方向に試料102を微動させることができ
る。また、４分割した電極に同極性の電圧を加えるとＺ
方向に円筒は伸縮しＺ軸方向の粗微動の役割を果たし、
プローブユニツト101と試料102を接近させることができ
る。ここでは傾き補正用の調整ねじを図示してないが、
必要ならば付けることも可能である。
Y方向に対向して４分割されており、対向した電極に逆
極性の電圧を印加すると対向した電極の方向に円筒が微
少に傾き、XY各方向に試料102を微動させることができ
る。また、４分割した電極に同極性の電圧を加えるとＺ
方向に円筒は伸縮しＺ軸方向の粗微動の役割を果たし、
プローブユニツト101と試料102を接近させることができ
る。ここでは傾き補正用の調整ねじを図示してないが、
必要ならば付けることも可能である。
（１）本発明のプローブユニツトは、基板上に設けた橋
状の可撓部の中央にプローブを設けた対称的構造をな
し、しかも可撓部の両端が拘束されているため、動作時
の温度変化による長手方向の熱膨張や可撓部材料と電極
材料との熱膨張率の差に起因する変形を生じることな
く、プローブの位置がずれることはほとんどない。
状の可撓部の中央にプローブを設けた対称的構造をな
し、しかも可撓部の両端が拘束されているため、動作時
の温度変化による長手方向の熱膨張や可撓部材料と電極
材料との熱膨張率の差に起因する変形を生じることな
く、プローブの位置がずれることはほとんどない。
又、製造時の内部応力による梁の反りやねじれを生ず
ることなく精度良く形成することができる。
ることなく精度良く形成することができる。
（２）本発明のプローブユニツトは、従来例のようにSi
基板に限定されることなく、通常の7059のガラス基板な
どを用いることができるので、非常に安価に製造でき
る。
基板に限定されることなく、通常の7059のガラス基板な
どを用いることができるので、非常に安価に製造でき
る。
（３）プローブユニツトの駆動手段として、とりわけ圧
電効果を利用することにより、Ｚ軸方向への駆動力を増
し、橋状構造についてもＺ軸方向に変位量を片持ち梁と
同等に保つことができる。
電効果を利用することにより、Ｚ軸方向への駆動力を増
し、橋状構造についてもＺ軸方向に変位量を片持ち梁と
同等に保つことができる。
又、共振周波数を高くすることができるので、プロー
ブは外部の振動を受けにくく、より高速な走査にも応答
することができる。
ブは外部の振動を受けにくく、より高速な走査にも応答
することができる。
第１図及び第２図は本発明の第１の実施例のプローブユ
ニツトの断面図及び平面図、 第３図（ａ）〜（ｄ）は第１図及び第２図のプローブユ
ニツトを形成する主要工程図、 第４図及び第５図は第２の実施例のプローブユニツトの
断面図及び平面図、 第６図（ａ）〜（ｅ）は第４図及び第５図のプローブユ
ニツトを形成する主要工程図、 第７図は第３の実施例のプローブユニツトの断面図及び
平面図、 第８図はプローブユニツトを複数配列した説明図、 第９図（ａ）〜（ｃ）は第７図のプローブユニツトを形
成する主要工程図、 第10図、第11図、第12図は本発明のプローブユニツトを
トンネル電流検知装置として使用した構成図である。 １……基板 2,42……下部電極 3,43……支持体 4,45……上部電極 5,46……絶縁膜 6,47……プローブ電極 ７……プローブ 8,49……空洞部 9,75……プローブ材料 44……圧電体層 61……フオトレジスト層 71……梁構造体 73……圧電材料 101……プローブユニツト 105……平行ヒンジステージ 109……円筒型圧電素子
ニツトの断面図及び平面図、 第３図（ａ）〜（ｄ）は第１図及び第２図のプローブユ
ニツトを形成する主要工程図、 第４図及び第５図は第２の実施例のプローブユニツトの
断面図及び平面図、 第６図（ａ）〜（ｅ）は第４図及び第５図のプローブユ
ニツトを形成する主要工程図、 第７図は第３の実施例のプローブユニツトの断面図及び
平面図、 第８図はプローブユニツトを複数配列した説明図、 第９図（ａ）〜（ｃ）は第７図のプローブユニツトを形
成する主要工程図、 第10図、第11図、第12図は本発明のプローブユニツトを
トンネル電流検知装置として使用した構成図である。 １……基板 2,42……下部電極 3,43……支持体 4,45……上部電極 5,46……絶縁膜 6,47……プローブ電極 ７……プローブ 8,49……空洞部 9,75……プローブ材料 44……圧電体層 61……フオトレジスト層 71……梁構造体 73……圧電材料 101……プローブユニツト 105……平行ヒンジステージ 109……円筒型圧電素子
───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｂ (72)発明者 川瀬 俊光 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 昭64−15602（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−91502（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−309802（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−206148（ＪＰ，Ａ)
Claims (12)
- 【請求項１】基板、基板上に形成された橋状の可撓部、
そして該可撓部に設けられたプローブとを有するプロー
ブユニツトであって、 該プローブユニツトにさらに前記プローブを基板面と垂
直方向に変化させる駆動手段を有することを特徴とする
プローブユニツト。 - 【請求項２】基板、基板上に形成された第１の電極、該
第１の電極と空洞部により絶縁され基板上に形成されて
いる橋状の可撓部及び該可撓部に設けられたプローブと
を有するプローブユニツトであって、 該可撓部が第２の電極層、絶縁層、プローブに電圧を印
加するための電極層を有する積層体で構成されているこ
とを特徴とするプローブユニツト。 - 【請求項３】基板、基板上に形成された第１の電極、該
第１の電極上に形成された圧電体層、基板上に形成され
ている橋状の可撓部、及び該可撓部に設けられたプロー
ブとを有するプローブユニツトであって、 該可撓部が第２の電極層、絶縁層、プローブに電圧を印
加するための電極層を有する積層体で構成されており、 前記第１の電極と第２の電極層はそれぞれ該圧電体層を
はさんで対向位置に接して形成されていることを特徴と
するプローブユニツト。 - 【請求項４】基板、基板上に形成された橋状の可撓部及
び該可撓部に設けられたプローブとを有するプローブユ
ニツトであって、 該可撓部が、梁構造体層、第１の電極層、圧電材料層、
第２の電極層、絶縁層、プローブに電圧を印加する電極
層の積層体で構成されていることを特徴とするプローブ
ユニツト。 - 【請求項５】基板、基板上に形成された第１の電極、該
第１の電極と空洞部により絶縁され基板上に形成されて
いる橋状の可撓部及び該可撓部に設けられたプローブと
を有するプローブユニツトで、 該可撓部が第２の電極層、絶縁層、プローブに電圧を印
加するための電極層を有する積層体で構成されているプ
ローブユニツトに対し、 該第１の電極と、第２の電極間に電圧を印加することに
より、静電気力で、該プローブを基板面と垂直方向に移
動させることを特徴とするプローブの駆動方法。 - 【請求項６】基板、基板上に形成された第１の電極、該
第１の電極上に形成された圧電体層、基板上に形成され
ている橋状の可撓部、及び該可撓部に設けられたプロー
ブとを有するプローブユニツトで、 該可撓部が第２の電極層、絶縁層、プローブに電圧を印
加するための電極層を有する積層体で構成され、 さらに前記第１の電極と第２の電極層はそれぞれ該圧電
体層をはさんで対向位置に接して形成されているプロー
ブユニツトに対し、 該第１の電極と第２の電極間に電圧を印加することによ
り、圧電効果で該プローブを基板面と垂直方向に移動さ
せることを特徴とするプローブの駆動方法。 - 【請求項７】基板、基板上に形成された橋状の可撓部及
び該可撓部に設けられたプローブとを有するプローブユ
ニツトで、 該可撓部が、梁構造体層、第１の電極層、圧電材料層、
第２の電極層、絶縁層、プローブに電圧を印加する電極
層の積層体で構成されているプローブユニツトに対し、
該第１の電極と第２の電極間に電圧を印加することによ
り圧電効果で該プローブを基板面と垂直方向に移動させ
ることを特徴とするプローブの駆動方法。 - 【請求項８】基板、基板上に形成された橋状の可撓部及
び該可撓部に設けられたプローブとを有し、該プローブ
を基板に対して変位させるための駆動機構を有するプロ
ーブユニツト、該プローブと測定される試料との間の距
離を調整する手段及び該プローブと試料との間に電圧を
印加する手段とを備えたことを特徴とする走査型トンネ
ル電流検知装置。 - 【請求項９】前記試料をプローブに対して相対的に移動
させる手段を有する請求項（８）に記載の走査型トンネ
ル電流検知装置。 - 【請求項１０】前記プローブユニツトが、基板上に第１
の電極を有し、前記可撓部が空洞部により第１の電極と
絶縁され、第２の電極層、絶縁層及びプローブに電圧を
印加するための電極層の積層体からなる請求項（８）に
記載の走査型トンネル電流検知装置。 - 【請求項１１】前記プローブユニツトが、基板上に第１
の電極を有し、第１の電極は圧電体層を介して可撓部に
接続され、該可撓部が第２の電極層、絶縁層及びプロー
ブに電圧を印加するための電極層の積層体からなる請求
項（８）に記載の走査型トンネル電流検知装置。 - 【請求項１２】前記可撓部が、梁構造体層、第１の電極
層、圧電体層、第２の電極層、絶縁層及びプローブに電
圧を印加するための電極層の積層体で構成されている請
求項（８）に記載の走査型トンネル電流検知装置。
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