DE60037765T2 - Nanometrischer mechanischer Oszillator - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen nanometrischen mechanischen Oszillator, ein Verfahren zur Herstellung desselben und eine Meßvorrichtung, die diesen verwendet.
  • STAND DER TECHNIK
  • Herkömmlich sind die folgenden Methoden auf dem interessierenden Gebiet bekannt gewesen.
    • (1) G. Binnig, C. Gerber und C. F. Quate: Phys. Rev. Lett. 56 (1986) 930.
    • (2) T. D. Stowe, K. Yasumura, T. W. Kenny, D. Botkin, K. Wago und D. Rugar: Appl. Phys. Lett. 71 (1997) 288.
    • (3) D. A. Walters, J. P. Cleveland, N. H. Thomson, P. K. Hansma, M. A. Wendman, G. Gurley und V. Elings: Rev. Sci. Instrum. 67 (1996) 3583.
    • (4) Vu. Thien Binh, N. Garcia und A. L. Levanuyk: Surf. Sci. Lett. 301 (1994) L224.
  • Das Scanning-Kraftmikroskop (scanning force microscope) wurde von Gerd Sinnig, et al. um 1986 (oben erwähnte Literatur 1) erfunden. Im Anschluß daran, in den mittleren bis späten 1980igern, entwickelten T. Albrecht, Calvin Quate et al. einen streifenförmigen Träger mit einer Länge von einigen wenigen hundert Mikrometern und mit einer Prüfspitze mit einer Höhe von etwa 3 μm an seiner Spitze. Der Träger wurde aus Silizium oder Siliziumnitrid hergestellt. Seit Mitte bis Ende der 1980iger sind Träger der oben beschriebenen Konfiguration auf dem Markt verkauft worden.
  • Um schwache Kräfte zu messen, probierten Dan Rugar et al., einen sehr dünnen und langen Träger (oben erwähnte Literatur 2) zu verwenden. Um ferner die charakteristische Frequenz eines Trägers zu erhöhen und die Beobachtungszeit abzukürzen, schlugen Paul Hansma et al. einen Träger mit einer Länge von 1 μm bis 10 μm vor, was kürzer ist als bei herkömmlichen Trägern mit einer Länge in der Größenordnung von 100 μm (oben erwähnte Literatur 3). Beachtenswerterweise sind die letzten zwei Träger beide streifenförmig und sind verbesserte Versionen des in den 1980iger entwickelten Trägers.
  • Zwischenzeitlich demonstrierten in bezug auf nanometrische mechanische Oszillatoren Vu. Thien Binh, N. Garcia et al., daß ein kokeshi-doll-förmiger Oszillator hergestellt werden konnte durch ein Verfahren des Erwärmens einer scharfen Metallprobe in Vakuum (oben erwähnte Literatur 4).
  • Eine Messung der Variationen in der Amplitude der Vibration und der charakteristischen Frequenz eines mechanischen Oszillators ermöglicht eine Detektion der Variation bezüglich der Masse des Oszillators und der Variation eines Feldes, in welchem der Oszillator plaziert ist.
  • IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 37, Nr. 7, 1994, Seiten 545-546, XP000455611, offenbart spezifische Spitzen und Herstellungsverfahren für die 3-D-Scanning-Kraftmikroskopie.
  • EP-0615124 offenbart ein Verfahren zum insitu-Wachstum von Einkristallwhiskern.
  • Die vorliegende Erfindung versucht, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines nanometrischen mechanischen Oszillators bereitzustellen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines nanometrischen mechanischen Oszillators, wie es in Anspruch 1 im folgendem definiert wird, bereitgestellt.
  • Die Kraftdetektionsauflösung, die durch Verwendung eines mechanischen Oszillators erhalten wird, erhöht sich, wenn ihre charakteristische Frequenz oder der Qualitätsfaktor zunimmt, und wenn ihre Federkonstante oder Temperatur abgesenkt ist. Wenn ein mechanischer Oszillator als ein Feder/Massen-System modelliert werden kann, erhöht eine Reduktion der Größe des Oszillators vorteilhaft die Empfindlichkeit.
  • Dies liegt daran, daß durch Reduktion der Masse des mechanischen Oszillators die charakteristische Frequenz erhöht werden kann, während die Federkonstante unverändert verbleibt.
  • Angesichts des Vorangehenden versuchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen stabilen und hochempfindlichen, nanometrischen mechanischen Oszillator mit einer beträchtlich hohen Detektionsauflösung bereitzustellen, welche eine Detektion der Variation der Kraft oder Masse in der Nanometergrößenordnung erlaubt, ebenso wie ein Verfahren zum Herstellen desselben und eine Meßvorrichtung, die diesen verwendet.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 schließt Ansichten ein, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigen.
  • 2 schließt Querschnittsansichten ein, die Schritte zur Herstellung eines nanometrischen mechanischen Oszillators zeigen.
  • 3 ist eine Ansicht, die eine Beispielanwendung eines nanometrischen mechanischen Oszillators zeigt.
  • 4 ist eine Ansicht, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigt.
  • 5 schließt Querschnittsansichten ein, die Schritte eines ersten Verfahrens zur Herstellung eines nanometrischen mechanischen Oszillators zeigen.
  • 6 schließt Querschnittsansichten ein, die Schritte eines zweiten Verfahrens zum Herstellen eines nanometrischen mechanischen Oszillators zeigen.
  • 7 ist eine Ansicht, die eine erste Beispielanwendung eines nanometrischen mechanischen Oszillators zeigt.
  • 8 ist eine Ansicht, die eine zweite Beispielanwendung eines nanometrischen mechanischen Oszillators zeigt.
  • 9 ist eine Ansicht, die eine dritte Beispielanwendung eines nanometrischen mechanischen Oszillators zeigt.
  • 10 ist eine Ansicht, die eine vierte Beispielanwendung eines nanometrischen mechanischen Oszillators zeigt.
  • 11 ist eine Ansicht, die eine fünfte Beispielanwendung eines nanometrischen mechanischen Oszillators zeigt.
  • 12 ist eine Ansicht, die eine sechste Beispielanwendung eines nanometrischen mechanischen Oszillators zeigt.
  • 13 ist eine Ansicht, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigt.
  • 14 ist eine Ansicht, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigt.
  • 15 ist eine Ansicht, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigt.
  • 16 ist eine Ansicht, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigt.
  • 17 ist eine Ansicht, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigt.
  • 18 schließt Ansichten ein, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigen.
  • 19 ist eine Ansicht, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigt.
  • 20 ist eine Ansicht, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigt.
  • 21 schließt Ansichten ein, die Schritte zum Herstellen eines nanometrischen mechanischen Oszillators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • 22 schließt vergrößerte perspektivische Ansichten des nanometrischen mechanischen Oszillators gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein.
  • 23 schließt perspektivische Ansichten einer Mikrokapsel gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein.
  • 24 schließt konfigurationsartige Ansichten eines nanometrischen mechanischen Oszillators gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein.
  • 25 ist eine konfigurationsartige Ansicht eines Meßsystems zum Messen einer Probe durch Verwendung eines Elements mit einer großen Anzahl an angeordneten Trägern mit Prüfspitzen, das wie in 24 gezeigt hergestellt wurde.
  • 26 ist eine Aufsicht des Substrats eines Elements mit einer großen Anzahl an angeordneten Trägern.
  • 27 ist eine erklärende Ansicht in bezug auf die weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und zeigt, daß die Form und die Eigenschaften einer Probe visualisiert werden können.
  • 28 ist eine schematische Ansicht eines nanometrischen mechanischen Oszillators.
  • 29 ist eine konfigurationsartige Ansicht eines nanometrischen mechanischen Oszillators.
  • 30 ist eine konfigurationsartige Ansicht eines nanometrischen mechanischen Oszillators.
  • 31 ist eine konfigurationsartige Ansicht eines nanometrischen mechanischen Oszillators.
  • 32 ist eine konfigurationsartige Ansicht eines nanometrischen mechanischen Oszillators.
  • 33 schließt Ansichten ein, die Schritte zum Herstellen eines nanometrischen mechanischen Oszillators.
  • 34 schließt Ansichten ein, die Schritte zeigen, anschließend an in 33 gezeigte Schritte, zum Herstellen eines nanometrischen mechanischen Oszillators.
  • 35 schließt Ansichten ein, die Schritte zeigen, anschließend an in 34 gezeigte Schritte, zum Herstellen eines nanometrischen mechanischen Oszillators.
  • 36 schließt Ansichten ein, die Schritte zeigen, anschließend an in 35 gezeigte Schritte, zum Herstellen eines nanometrischen mechanischen Oszillators.
  • 37 schließt Schnittansichten ein, die den zwölften Schritt des Herstellungsverfahrens gemäß 33 zeigen.
  • 38 schließt Aufsichten ein, die den zwölften Schritt des Herstellungsverfahrens gemäß 33 zeigen.
  • 39 ist eine Ansicht, die eine Trägeranordnung zeigt, bei welcher ein Oszillator mit einer dreieckig-pyramidalen Spitze am spitzen Ende eines Chips bereitgestellt ist.
  • 40 schließt Ansichten ein, die Schritte zum Herstellen eines über parallele Federn gestützten Oszillators zeigen.
  • 41 schließt Ansichten ein, die Schritte zeigen, anschließend an in 40 gezeigte Schritte, zum Herstellen des über parallele Federn gestützten Oszillators.
  • 42 schließt Ansichten ein, die Schritte zeigen, anschließend an in 41 gezeigte Schritte, zum Herstellen des über parallele Federn gestützten Oszillators.
  • 43 schließt Ansichten ein, die Schritte zeigen, anschließend an die in 42 gezeigten Schritte, zum Herstellen des über parallele Federn gestützten Oszillators.
  • 44 schließt Ansichten ein, die Schritte zum Herstellen eines über parallele Federn gestützten Oszillators zeigen.
  • 45 schließt Ansichten ein, die Schritte zeigen, anschließend an 44 gezeigte Schritte, zum Herstellen des über parallele Federn gestützten Oszillators.
  • 46 schließt Ansichten ein, die Schritte zeigen, anschließend an in 45 gezeigte Schritte, zum Herstellen des über parallele Federn gestützten Oszillators.
  • 47 schließt Ansichten ein, die Schritte zeigen, anschließend an die in 46 gezeigte Schritte, zum Herstellen des über parallele Federn gestützten Oszillators.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden als nächstes im Detail beschrieben.
  • 1 schließt Ansichten ein, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigen. 2 schließt Querschnittsansichten ein, die Schritte zum Herstellen des nanometrischen mechanischen Oszillators zeigen.
  • In 1 schließt ein rechteckiger, nanometrischer mechanischer Oszillator 1 eine Basis 2, eine rechteckige Oszillationsmasse 4 und einen Halsabschnitt 3 mit Elastizität und verbindend die Basis 2 und die rechteckige Oszillationsmasse 4 ein. Der Halsabschnitt 3 weist einen rechteckigen Querschnitt betrachtet entlang einer vertikalen Richtung auf.
  • Das Verfahren zum Herstellen des nanometrischen mechanischen Oszillators wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
    • (1) Wie in 2(a) gezeigt ist, wird zunächst ein SIMOX-Substrat (Trennung durch implantierten Sauerstoff) vorbereitet, welches ein Siliziumsubstrat 2A, eine Siliziumoxidschicht (Dicke: 100 nm) 3A, eine Siliziumschicht (Dicke: 60 nm) 4A und eine Siliziumoxidschicht 5 einschließt.
    • (2) Wie in 2(b) gezeigt ist, wird anschließend ein Chromfilm 6 (Cr) auf der Siliziumoxidschicht 5 gebildet.
    • (3) Wie in 2(c) gezeigt ist, wird anschließend eine rechteckige Maske 7 gebildet. Spezifischerweise ist Abdecklack auf den Chromfilm 6 aufgetragen und wird dann einem Rasterbilden unterzogen. Beispielsweise weist der zu rasternde Abdecklack (Maske) 7 einen Durchmesser von 1 nm bis 1 μm auf.
    • (4) Wie in 2(d) gezeigt ist, wird anschließend der Cromfilm (Cr) 6 geätzt durch Verwendung einer wässrigen Lösung von Ammoniumcemitrat.
    • (5) Wie in 2(e) gezeigt ist, wird anschließend durch reaktives Ionenätzen die Silizumoxidschicht 5 vertikal durch Verwendung von CHF3 geätzt, die Siliziumschicht (Dicke: 60 nm) 4A wird vertikal durch Verwendung von SF6 geätzt, die Siliziumoxidschicht (Dicke: 100 nm) 3A wird vertikal durch Verwendung von CHF3 geätzt, und das Siliziumsubstrat 2A wird vertikal durch Verwendung von SF6 geätzt. Man beachte, daß in diesem Schritt das Siliziumsubstrat 2A eine Basis 2 wird.
    • (6) Wie in 2(f) gezeigt ist, wird anschließend die Siliziumoxidschicht (Dicke 100 nm) 3A durch Verwendung von BHF (Fluorwasserstoffsäure) geätzt, um den Halsabschnitt 3 zu bilden, welches eine Elastizität und einen rechteckigen Querschnitt aufweist, im Schnitt entlang einer sich vertikal mit dessen Hauptachse kreuzenden Ebene. Die Siliziumoxidschicht 5, der Chromfilm (Cr) 6 und der Abdecklack (Maske) 7 werden abgehoben.
  • In der oben beschriebenen Weise kann der Oszillator so hergestellt werden, daß die rechteckige Oszillationsmasse 4 eine Dicke von 60 nm aufweist und der Halsabschnitt 3 eine Höhe von 100 nm aufweist. Der Durchmesser der rechteckigen Oszillationsmasse 4 wird bestimmt durch die Abmessung der Maske 7, und die Größe des Halsabschnitts 3 wird bestimmt durch die Zeit, über die das Ätzen mit Fluorwasserstoffsäure durchgeführt wird.
  • Gegenwärtig wird ein Oszillator hergestellt, dessen rechteckige Oszillationsmasse 4 eine Breite von etwa 500 nm aufweist, und dessen Halsabschnitt 3 eine Breite von etwa 50 nm aufweist.
  • Der nanometrische mechanische Oszillator, der wie oben beschrieben hergestellt wird, kann leicht entlang einer x-Achsenrichtung oszilliert werden, kann jedoch nicht leicht entlang einer y-Achsenrichtung oszilliert werden. Wenn daher der mechanische Oszillator als ein Sensor oder eine Betätigungsvorrichtung verwendet wird, wird eine Detektion und Positionierung durch Verwendung seiner Anisotropie möglich.
  • 3 zeigt einen Fall, bei dem der nanometrische mechanische Oszillator an einem Scanning-Kraftmikroskop angebracht ist. In diesem Falle wird eine Probe 8, annehmend die Form einer Dünnschicht, hergestellt auf der rechteckigen Oszillationsmasse 4, welches eine Oszillatoroberfläche ist, und die Probenmessung wird durchgeführt durch Verwendung einer stationären Prüfspitze 9.
  • Zusätzlich zu Scanning-Kraftmikroskopen kann ein anordnungsartiger (array-type), rechteckiger, mechanischer Oszillator 1 auf einen Gassensor hoher Empfindlichkeit aufgebracht sein. In diesem Falle ist jede rechteckige Oszillationsmasse 4 mit einer statistischen funktionellen Dünnschicht beschichtet. Wenn die Dünnschicht eine spezifische Substanz absorbiert, kann eine resultierende Änderung der mechanischen Oszillationsfrequenz detektiert werden.
  • 4 ist eine Ansicht, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigt. 5 schließt Querschnittsansichten ein, die Schritte eines ersten Verfahrens zum Herstellen des nanometrischen mechanischen Oszillators zeigen.
  • Wie in 4 gezeigt ist, schließt ein nanometrischer mechanischer Oszillator 10 eine Basis 11, eine tetraedrische Oszillationsmasse 13 und einen Halsabschnitt 12 ein, welches die Basis 11 und die tetraedrische Oszillationsmasse 13 verbindet und als ein elastisches Teil dient.
  • Der mechanische Oszillator 10 nimmt eine pilzartige Form an und weist eine nanometrische Größe auf. Die Oszillationsmasse 13 nimmt eine tetraedrische Form an und wird daher in geeigneter Weise als eine Prüfspitze eines Scanning-Kraftmikroskops in einer solchen Weise verwendet, daß die Oszillationsmasse 13 veranlaßt wird, sich einer statistischen Probenoberfläche anzunähern, um dadurch den Oberflächenzustand zu beobachten.
  • Das Verfahren zum Herstellen des nanometrischen mechanischen Oszillators wird unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
    • (1) Wie in 5(a) gezeigt ist, wird zunächst ein gebundenes Substrat hergestellt. Das gebundene Substrat schließt ein Siliziumsubstrat 11A, welches als eine Basis dient, eine Siliziumschicht 13A, die als Prüfspitzen dient, und eine Siliziumoxidschicht 12, gebildet zwischen dem Siliziumsubstrat 11A und der Siliziumschicht 13A als ein Film eines unterschiedlichen Materials, ein.
    • (2) Wie in 5(b) gezeigt ist, wird anschließend die Siliziumschicht 13A einem anisotropen Ätzen unterzogen, um tetraedrische Oszillationsmassen 13 auf der Siliziumoxidschicht 12A zu bilden.
    • (3) Wie in 5(c) gezeigt ist, wird anschließend die Siliziumoxidschicht 12A vertikal durch reaktives Ionenätzen geätzt, welches durchgeführt wird, während die tetraedrischen Oszillationsmassen 13 als Masken verwendet werden.
    • (4) Wie in 5(d) gezeigt ist, werden anschließend Halsabschnitte 12 gebildet, durch beispielsweise Feuchtätzen der Siliziumoxidschicht 12A durch Verwendung von gepufferter Fluorwasserstoffsäure oder Verdampfungsentfernung der Siliziumoxidschicht durch Beaufschlagung von Wärme. Man beachte, daß in dieser Beschreibung das Feuchtätzen und das Verdampfungsentfernen der Siliziumoxidschicht bei Beaufschlagung durch Wärme als Ätzen in einem breiteren Sinne bezeichnet werden.
  • Eine Verwendung dieses Verfahrens ermöglicht die Herstellung eines Oszillators unter Verwendung ätzender Kristallanisotropie, ohne daß es in großem Maße durch die Leistung einer Lithographievorrichtung beeinträchtigt wird. Die Erfinder haben die Herstellung eines Oszillators durch Verwendung eines gebundenen Substrats zusammengesetzt aus einem Siliziumsubstrat und einer Siliziumoxidschicht und Herstellung eines Oszillators durch Verwendung eines SIMOX-Substrats (Trennung durch implantierten Sauerstoff) erfolgreich durchgeführt. Im letzteren Falle wurde ein Oszillator in einer solchen Weise hergestellt, daß eine Prüfspitze von etwa 60 nm durch einen Halsabschnitt von etwa 100 nm getragen wird.
  • 6 schließt Querschnittsansichten ein, die Schritte eines zweiten Verfahrens zum Herstellen eines nanometrischen mechanischen Oszillators zeigen.
    • (1) Wie in 6(a) gezeigt ist, wird zunächst ein gebundenes Substrat hergestellt. Das gebundene Substrat schließt ein Quarzsubstrat 14, welches als eine Basis dient, eine Siliziumschicht 15, eine Siliziumoxidschicht 16, die als ein Halsabschnitt dient, und eine Siliziumschicht 17, welche als eine Prüfspitze dient, ein.
    • (2) Wie in 6(b) gezeigt ist, wird anschließend die Siliziumschicht 17 einem anisotropen Ätzen unterzogen, um eine tetraedrische Oszillationsmasse 18 auf der Siliziumschicht 16 zu bilden.
    • (3) Wie in 6(c) und 6(d) gezeigt ist, wird anschließend die Siliziumoxidschicht 16 vertikal durch reaktives Ionenätzen geätzt, was durchgeführt wird, während die tetraedrische Oszillationsmasse 18 als eine Maske verwendet wird. Anschließend wird ein Halsabschnitt 19 gebildet, beispielsweise durch Feuchtätzen der Siliziumoxidschicht durch Verwendung von gepufferter Fluorwasserstoffsäure oder Verdampfungsentfemung der Siliziumoxidschicht bei Beaufschlagung von Wärme.
  • Wie oben beschrieben, ist dieses Herstellungsverfahren nicht auf den Fall begrenzt, wo ein gebundenes Substrat zusammengesetzt aus einem Siliziumsubstrat und einer Siliziumoxidschicht verwendet wird. Eine oszillatorartige Struktur mit einem Kopfbereich und einem Halsabschnitt kann hergestellt werden durch Verwendung eines gebundenen Substrats eines unterschiedlichen Typs, vorausgesetzt, daß das Substrat und die Schicht des gebundenen Substrats aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind und unterschiedliche Eigenschaften in bezug auf Verarbeitung zeigen, wie Ätzen oder Entfernen durch Beaufschlagung von Wärme. Wenn beispielsweise ein gebundenes Substrat, zusammengesetzt aus einem Quarzsubstrat und einer Siliziumschicht, oder ein gebundenes Substrat, zusammengesetzt aus einem Quarzkristallsubstrat und einer Siliziumschicht, verwendet wird, wird die Einführung von Licht aus der Rückseite oder die Anregung eines Oszillators durch Verwendung des Piezoeffekts der Basis möglich. Ein Herstellungsverfahren, das ähnlich ist zu demjenigen, das in 5 gezeigt ist, kann verwendet werden. Um jedoch Quarz (Kristallsubstrat) gegenüber einem Ätzen des Siliziumoxids durch Verwendung von Fluorwasserstoffsäure zu schützen, wird eine Siliziumschicht mit einer Dicke von einigen wenigen nm bis zu einigen wenigen 10-nm bereitgestellt.
  • Der in der oben beschriebenen Art und Weise erhaltene nanometrische, mechanische Oszillator weist die folgenden möglichen Anwendungen auf.
    • (A) Wie in 7 gezeigt ist, wird der mechanische Oszillator 10 angeordnet, um relativ zu einer Oberfläche einer Probe 21 geneigt zu sein; und die Oszillationsmasse 13 wird entlang einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche der Probe 21 oszilliert, um den Oberflächenzustand der Probe 21 zu beobachten.
    • (B) Wie in 8 gezeigt ist, ist der mechanische Oszillator 10 angeordnet, um sich entlang einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche der Probe 21 zu erstrecken; und die Oszillationsmasse 13 wird entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche der Probe 21 oszilliert, um den Oberflächenzustand der Probe 21 zu beobachten.
    • (C) Wie in 9 gezeigt ist, wird ein Laserstrahl 23, der in ein rechtwinkliges Prisma 22 eintritt, durch eine Oberfläche 22A desselben total reflektiert, so daß ein Fotofeld (Nahfeld) an der Prismaoberfläche 22A erzeugt wird. Eine Probe 24 wird auf der Prismaoberfläche 22A platziert. Der nanometrische mechanische Oszillator 10 wird oberhalb der Probe 24 fest angeordnet. Der Oszillator 10 emittiert Licht bei seiner Oszillationsfrequenz und stört das Nahfeld, so daß Transmissionslicht erzeugt wird. Das Licht wird gesammelt und zu einem Lichtaufnahmeelement 25 zur Detektion von Licht geführt. Daher können Amplitude und Frequenz der Oszillation des Oszillators 10 detektiert werden.
    • (D) Wie in 10 gezeigt, wird ein Kohlenstoffnanoröhrchen (oder Whisker) 31 an der Oszillationsmasse 3 des nanometrischen mechanischen Oszillators 1 in einer solchen Weise befestigt, daß das Kohlenstoffnanoröhrchen (oder Whisker) 31 sich nach oben von der Oszillationsmasse 3 erstreckt, und die Spitze des Kohlenstoffnanoröhrchens (oder Whiskers) 31 ist eine Oberfläche einer Probe 32, die oberhalb des Oszillators 1 angeordnet ist, zugewandt.
    • (E) Wie in 11 gezeigt ist, wird ein Kohlenstoffnanoröhrchen (oder Whisker) 33 an der Oszillationsmasse 3 des nanometrischen mechanischen Oszillators 1 in einer solchen Weise befestigt, daß das Kohlenstoffnanoröhrchen (oder Whisker) 33 sich horizontal von der Oszillationsmasse 3 erstreckt, und die Spitze des Kohlenstoffnanoröhrchens (oder Whiskers) 33 ist einer Oberfläche einer Probe 34 zugewandt, die auf einer Seite des Oszillators 1 in bezug auf die horizontale Richtung angeordnet ist.
    • (F) Wie in 12 gezeigt ist, ist ein Kohlenstoffnanoröhrchen (oder Whisker) 35 an der Oszillationsmasse 13 des nanometrischen mechanischen Oszillators 10 in einer solchen Weise befestigt, daß das Kohlenstoffnanoröhrchen (oder Whisker) 35 sich nach oben von der Oszillationsmasse 13 erstreckt, und die Spitze des Kohlenstoffnanoröhrchens (oder Whiskers) 35 ist einer Oberfläche einer Probe 36, die oberhalb des Oszillators 10 angeordnet ist, zugewandt.
  • Es kann ein Mikroskop erhalten werden, bei dem ein Kohlenstoffnanoröhrchen oder ein Whisker an einem nanometrischen mechanischen Oszillator befestigt ist, wie es in irgendeiner der 10 bis 12 gezeigt ist; die Wechselwirkung zwischen dem Kohlenstoffnanoröhrchen oder dem Whisker und einer Probe wird detektiert durch Einsatz der hohen Empfindlichkeit des Oszillators; und ein entsprechendes Bild wird erhalten.
  • 13 ist eine Ansicht, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigt.
  • Wie in 13 gezeigt ist, weist ein nanometrischer mechanischer Oszillator 1 eine große Anzahl an Oszillationsmassen 3 auf, die in einem Raster angeordnet sind; und eine funktionelle Dünnschicht 37, die in der Lage ist zur Umsetzung mit einer spezifischen Substanz oder zum Absorbieren einer spezifischen Substanz, ist auf jeder der Oszillationsmassen 3 mittels beispielsweise Dampfabscheidung aufgetragen. Der nanometrische mechanische Oszillator 1 kann verwendet werden, um eine Meßvorrichtung zum Detektieren der Gegenwart und Konzentration einer Spurensubstanz in einer Gasprobe zu erhalten.
  • 14 ist eine Ansicht, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigt.
  • Wie in 14 gezeigt ist, ist ein nanometrischer mechanischer Oszillator 10 an der Spitze einer optischen Faser 41 angeordnet, um einer Probe 44 zugewandt zu sein. Bezugszeichen 42 bezeichnet einen Faserkern und 43 bezeichnet eine Faserhülle.
  • Wenn der nanometrische mechanische Oszillator 10 an dem Faserkern 42 der optischen Faser 41, wie oben beschrieben, befestigt ist, kann eine Oszillation der Oszillationsmasse (Oszillationselement), die durch die Probe 44 bewirkt wird, optisch detektiert werden.
  • 15 ist eine Ansicht, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigt.
  • Wie in 15 gezeigt ist, ist ein nanometrischer mechanischer Oszillator 10 bei 45 geerdet; und ein Elektronenstrahl, emittiert aus einer Vorrichtung (Elektrode) 46, wird auf den nanometrischen mechanischen Oszillator 10 bestrahlt, während er fokussiert wird, um einen Durchmesser im Nanometerbereich aufzuweisen. Der mechanische Oszillator 10 weist elektrische Leitfähigkeit gegenüber seiner Basis 11 auf, und ein Bereich des mechanischen Oszillators 10 zeigt einen Piezoeffekt. Der mechanische Oszillator bewirkt eine selbstangeregte Oszillation aufgrund von Strom, der bei Strahlung des Elektronenstrahls und Deformation des Oszillators aufgrund des Stromes fließt. Eine Variation des Stroms, der aus dem Oszillator 10 fließt, wird detektiert durch einen Hochfrequenzstromdetektor 47, um die Amplitude und Frequenz der Oszillation des Oszillators 10 zu detektieren. Bezugszeichen 48 bezeichnet eine Probe. Man beachte, obwohl nicht veranschaulicht, daß eine Wolframfilament-artige Elektronenstrahlquelle oder Feldemission eines kommerziell erhältlichen, üblichen Scanningelektronenmikroskops als eine Elektronenstrahlquelle verwendet wird; und daß der erzeugte Elektronenstrahl durch Verwendung eines elektromagnetischen Linsensystems fokussiert wird.
  • 16 ist eine Ansicht, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigt.
  • Wie in 16 gezeigt ist, wird ein nanometrischer mechanischer Oszillator 10 bereitgestellt an einer Nahfeldlichterzeugungsfläche 51A einer festen Immersionslinse 51, so daß eine Oszillationsmasse 13 einer Probe 53 zugewandt ist. Ein Laserstrahl wird in die feste Immersionslinse 51 über eine Linse 52 eingeführt und darin in die entgegengesetzte Richtung zurückgeführt.
  • Wie oben beschrieben, durch Verwendung der festen Immersionslinse 51, wird ein Lichtpunkt, fokussiert zu einem Grad hinter einem biegbaren Limit, in der Basis des nanometrischen mechanischen Oszillators gebildet. Die Amplitude und Frequenz der Oszillation des Oszillators 10 können an der Basis des Umkehrlichtes detektiert werden. Man beachte, in Beziehung auf die feste Immersionslinse, daß die unten aufgeführten Untersuchungen bekannt sind.
    • (1) E. Betzig, J. Trautman, R. Volfe, E. Gyorgy, P. Finn; M. Kryder und C. Chang, Appl. Phys. Lett. 61, 142 (1992).
    • (2) S. Hosaka, et al. Jpn. J. Appl. Phys. Partl. 35, 443 (1996).
    • (3) Y. Martin, et al. Appl. Phys. Lett. 71, 1 (1997).
  • 17 ist eine Ansicht, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigt.
  • Wie in 17 gezeigt ist, wird ein laminiertes Substrat, zusammengesetzt aus einem Substrat 61, einer dielektrischen Spaltschicht 62, einer Maskenschicht (Sb) 63 und einer dielektrischen Schicht (Spaltschicht) 64 bereitgestellt; und ein nanometrischer mechanischer Oszillator 10 wird an der dielektrischen Schicht (Spaltschicht) 64 angeordnet. Eine Probe 65 wird vor dem mechanischen Oszillator 10 angeordnet. Eine Laserstrahl 66 wird auf die Rückseite des Substrats 61 über eine Linse 67 bestrahlt.
  • Wie oben beschrieben, wird der nanometrische mechanische Oszillator 10 auf dem laminierten Substrat mit der aus Sb gebildeten Maskenschicht 63 fixiert. Das laminierte Substrat wird super-RENS (Supper-resolution Near-field Structure) genannt. Wenn ein Laserstrahl auf die Maskenschicht 63 gestrahlt wird, ändert sich ein Bereich der Maske, mit resultierender Begründung eines Zustands, der der Bildung einer Öffnung in Nanometergrößenordnung äquivalent ist. Dies lediglich ermöglicht eine Detektion der Oszillation des nanometrischen mechanischen Oszillators 10, um dadurch Hintergrundrauschen zu reduzieren. Ein Verweis für die Super-RENS ist J. Tominaga, et al. Appl. Phys. Lett. 73, 2078 (1988).
  • 18 schließt Ansichten ein, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigen, wobei 18(a) eine Seitenansicht des Oszillators und 18(b) eine Aufsicht des Oszillators ist.
  • In diesen Zeichnungen bezeichnet Bezugszeichen 71 ein Quarzkristallsubstrat (oder Siliziumsubstrat mit einer Piezodünnschicht); 72 bezeichnet kammförmige Elektroden; und 73 bezeichnet eine AC-Spannungsquelle, die mit den kammförmigen Elektroden 72 verbunden ist.
  • Wenn eine AC-Spannung auf die kammförmigen Elektroden 72 beaufschlagt wird, bereitgestellt auf dem Quarzkristallsubstrat (oder Siliziumsubstrat mit einer Piezodünnschicht) 71, werden Oberflächenschallwellen erzeugt, um eine Oszillation des nanometrischen mechanischen Oszillators zu induzieren.
  • 19 ist eine Ansicht, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigt.
  • In 19 bezeichnet Bezugszeichen 81 eine Basis; und 82 bezeichnet ein Teilchen, daß sich in Richtung auf einen nanometrischen mechanischen Oszillator 10 bewegt.
  • Wenn das Teilchen 82 mit dem nanometrischen mechanischen Oszillator 10 zusammenstößt, wird die Oszillationsmasse 13 gemäß dem Gesetz der Bewegungsbewahrung verschoben, da die Oszillationsmasse 13 klein ist. Durch Detektion der Verschiebung kann die Geschwindigkeit des Teilchens detektiert werden. D. h. eine Detektionsvorrichtung zur Teilchengeschwindigkeit kann erhalten werden.
  • 20 ist eine Ansicht, die einen nanometrischen mechanischen Oszillator zeigt.
  • In 20 bezeichnet Bezugszeichen 91 eine Basis; 92 bezeichnet einen säulenförmigen, elastischen Halsabschnitt, gebildet aus einem sehr dünnen, langen Siliziumwhisker, welcher gemäß einem LPCVD (Niederdruck-CVD)-Verfahren hergestellt wird, um einen Durchmesser in der Größenordnung von 10 nm und eine Länge einer Größenordnung von einem Mikrometer bis einem Millimeter aufzuweisen; und 93 bezeichnet ein Goldkügelchen (optional beschichtet mit einem magnetischen Material, wie Kobalt oder Nickel), bereitgestellt an der Spitze des Halsabschnitts 92.
  • Daher kann eine Meßvorrichtung zum Detektieren einer Beschleunigung, Kraft oder magnetischen Kraft mit hoher Empfindlichkeit erhalten werden.
  • 21 schließt Querschnittsansichten ein, die Schritte zum Herstellen eines nanometrischen mechanischen Oszillators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. 22 schließt vergrößerte perspektivische Ansichten des nanometrischen mechanischen Oszillators ein, wobei 22(a) eine Vorderansicht und 22(b) eine Seitenansicht ist. 23 schließt perspektivische Ansichten einer Mikrokapsel ein, wobei 23(a) eine Vorderansicht und 23(b) eine Seitenansicht ist.
    • (1) Wie in 21(A) gezeigt ist, werden zunächst eine Siliziumoxidschicht 102 und eine Siliziumschicht nacheinander auf einem Siliziumsubstrat 101 gebildet. Die Siliziumschicht wird zu tetraedrischen Siliziumvorsprüngen 103A durch anisotropes Ätzen verarbeitet.
    • (2) Wie in 21(b) gezeigt ist, wird anschließend die Siliziumoxidschicht in einer Richtung senkrecht zu dem Substrat geätzt, während die tetraedrischen Siliziumvorsprünge 103A als eine Maske verwendet werden, um Siliziumoxidsäulen 102a zu bilden.
    • (3) Wie in 21(c) gezeigt ist, wird Silizium oder Chrom entlang einer geneigten Richtung in bezug auf das Siliziumsubstrat 101 dampfabgeschieden. Während der Dampfabscheidung wird jeder tetraedrische Siliziumvorsprung (dreieckige Pyramide) 103A so ausgerichtet, daß eine Seitenfläche desselben einer Dampfabscheidungsquelle zugewandt ist. Daher wird Silizium oder Chrom auf einer Seitenfläche jedes tetraedrischen Siliziumvorsprungs 103A und auf einer Seitenfläche jeder Siliziumoxidsäule 102A dampfabgeschieden. Man beachte, daß Silizium oder Chrom auf zwei Seitenflächen jedes tetraedrischen Siliziumvorsprungs 103A und auf zwei Seitenflächen jeder Siliziumoxidsäule 102A dampfabgeschieden werden können.
    • (4) Wie in 21(d) gezeigt ist, werden anschließend die Siliziumoxidsäulen 102A durch Verwendung von Fluorwasserstoffsäure entfernt. Als ein Ergebnis, wie es in 22 gezeigt ist, wird eine tetraedrische Meßspitze, gestützt durch einen elastischen Halsabschnitt 104 gebildet aus Silizium oder Chrom und annehmend die Form einer einzelnen flachen Platte, erhalten. Die Größe der Prüfspitze wird definiert durch den tetraedrischen Siliziumvorsprung 103A, der durch anisotropes Ätzes erhalten wird, und ebenso die Dicke desselben. In der oben beschriebenen Art und Weise kann die Prüfspitze in der Größenordnung von 100 nm stabil hergestellt werden. Wenn ferner Silizium oder Chrom auf zwei Seitenflächen jedes tetraedrischen Siliziumvorsprungs 103A und auf zwei Seitenflächen jeder Siliziumoxidsäule 102A dampfabgeschieden wird, kann eine optische Prüfspitze oder eine Probe einfangend eine Kapsel mit einer Mikrokapsel oder einer sehr kleinen Öffnung 105 wie in 23 gezeigt ist, erhalten werden.
  • Im Gegensatz zu dem Fall eines herkömmlichen Verfahrens zum Bilden einer Öffnung zur Erzeugung eines Fotonahfelds, in welchem eine scharfe optische Faser mit einem Metall beschichtet und das Metall aus dem Spitzenbereich der Faser entfernt wird, wird in der vorliegenden Ausführungsform Silizium oder Metall auf einer Struktur dampfabgeschieden, welche aus Silizium und Siliziumoxid mit sehr kleiner Variation bezüglich der Größe gebildet wird, und welche als ein Kern dient; und anschließend wird das Siliziumoxid entfernt. Daher kann eine einzelne Prüfspitze oder eine große Anzahl von Prüfspitzen gleichzeitig in einer solchen Art und Weise hergestellt werden, so daß jede Prüfspitze eine Öffnung mit einer genau gesteuerten Größe aufweist.
  • Die tetraedrische Spitze, die durch den elastischen Dünnschichtbereich (Halsabschnitt) gestützt wird, gebildet durch geneigte Dampfabscheidung, kann in einem Scanning-Kraftmikroskop in einer solchen Weise verwendet werden, daß ein Scheitel oder eine Ecke, angeordnet entfernt von dem Trägerbereich, als eine Prüfspitzenspitze dient.
  • Ferner kann eine Kapsel mit der sehr kleinen Öffnung 105, wie in 23 gezeigt ist, hergestellt werden, um eine Größe in der Größenordnung von 10 nm bis 1 μm aufzuweisen und kann für eine Öffnung zum Einfangen einer Probe oder zum Erzeugen eines Fotonahfelds verwendet werden.
  • 24 schließt konfigurationsartige Ansichten eines nanometrischen mechanischen Oszillators gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein, wobei 24(a) eine Aufsicht einer ersten Schicht, 24(b) eine Aufsicht einer zweiten Schicht, 24(c) eine Vorderansicht des gesamten Oszillators und 24(d) eine Seitenansicht des gesamten Oszillators ist.
  • Wie in diesen Zeichnungen gezeigt ist, schließt die erste Schicht 111 (24(a)) ein Piezosubstrat 112, eine Oberflächenschallwellenerzeugungseinheit (gebildet auf der umgekehrten Seite) 113 und Vertiefungen 114, gebildet in dem Piezosubstrat 112 an Stellen entsprechend einer großen Anzahl von angeordneten Auslegern mit Prüfspitzen ein.
  • Wie in 24(b) gezeigt ist, weist die zweite Schicht 115 einen Basisbereich 116 und eine große Anzahl von angeordneten Auslegern 117 hervorragend aus dem Basisbereich 116 und mit Prüfspitzen 118 auf.
  • Die erste Schicht 111 und die zweite Schicht 115 sind aufeinanderliegend angeordnet, um dadurch ein Element 110 zu erhalten, wie es in 24(c) und 24(d) gezeigt ist. In dem Element 110 werden die Oberflächenschallwellen innerhalb des Piezosubstrats 112 entlang zweier Richtungen in einer Ebene erzeugt, um dadurch die Prüfspitzen zu veranlassen, sich sequentiell einem meßbaren Bereich einer Probe zu nähern.
  • 25 ist eine konfigurationsartige Ansicht eines Meßsystems zum Messen einer Probe durch Verwendung eines Elements mit einer großen Anzahl an angeordneten Auslegern mit Prüfspitzen, welches wie in 24 gezeigt hergestellt wurde.
  • In 25 bezeichnet Bezugszeichen 121 einen Probentisch; und 122 bezeichnet eine Probe, die auf dem Probentisch 121 platziert ist. Die Probe 122 wird in einer solchen Weise gemessen, daß das Element 110, ausgerüstet mit der großen Anzahl an angeordneten Trägern 117 mit den Prüfspitzen 118, veranlaßt wird, sich sequentiell einem meßbaren Bereich der Probe 122 anzunähern. Das Meßsystem schließt ein Linsensystem 123, einen Laser 124, einen Halbspiegel 125, eine CCD-Kamera 126 und ein Videodisplay 127 verbunden mit der CCD-Kamera 126 und dienend als eine Displayeinheit ein.
  • 26 ist eine Aufsicht des Substrats eines Elements mit einer großen Anzahl an angeordneten Auslegern (Trägern).
  • Wie in 26 gezeigt ist, schließt das Element 130 ein Piezosubstrat 131; Oberflächenschallwellenerzeugungseinheiten 132, 133, 134, 135, gebildet entlang der vier Seiten des Piezosubstrats 131 (gebildet auf der umgekehrten Fläche); und eine große Anzahl von Trägern 136 angeordnet in einer Matrix am Mittelbereich des Piezosubstrats 131 ein. 26 zeigt ein Beispiel, bei welchem Träger zweidimensional angeordnet sind, um eine Matrix von 5 × 10 zu bilden.
  • Wenn eine Probe durch Verwendung des in 26 gezeigten Elements mit einer großen Anzahl von zweidimensional angeordneten Trägern beobachtet wird, vermittelt eine Interferenzhöhlung entsprechend jedem Träger Helligkeit zu einem entsprechenden Pixel, so daß die Form und die Eigenschaften der Probe als ein Ganzes visualisiert werden können, wie es aus der beispielhaften Ansicht nach 27 ersichtlich ist.
  • 28 ist eine schematische Ansicht eines nanometrischen mechanischen Oszillators.
  • In der in 28 gezeigten Ausführungsform ist eine große Anzahl von nanometrischen mechanischen Oszillatoren 142 auf einem Substrat 141, das aus einem Piezomaterial gebildet ist, angeordnet. Oberflächenschallwellen werden veranlaßt, um entlang zweier Richtungen in einer Ebene voranzuschreiten, so daß die Prüfspitzen 143 veranlaßt werden, sich sequentiell einem meßbaren Bereich der Probe 143 mittels von voranschreitenden Wellen oder stehenden Wellen anzunähern.
  • Die Integration eines Antriebselements oder eines Verschiebungsdetektionselements in jeden der großen Anzahl von angeordneten mechanischen Oszillatoren 142 ist nicht einfach. Obwohl solche mechanischen Oszillatoren hergestellt werden können, ist eine Verarbeitung einer großen Anzahl von Signalausgaben aus der großen Anzahl von Trägern bei hoher Geschwindigkeit schwierig.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform wird die große Anzahl an angeordneten Trägern angeregt, um mittels von Oberflächenschallwellen zu oszillieren, welche veranlaßt werden, entlang der Oberfläche voranzuschreiten, mit welcher die Träger in Kontakt kommen in einem stationären Zustand, wodurch die Prüfspitzen, die an den Oberflächen der Träger zugewandt der Probe fixiert sind, veranlaßt werden, sich der Probe anzunähern. Eine Position, bei welcher jede Prüfspitze in Kontakt mit der Probe kommt, wird an der Basis einer durchschnittlichen Helligkeit gemessen, erhalten aus der Interferenzhöhlung, die zwischen der Rückfläche des Trägers und der unteren Fläche der ersten Schicht gebildet wird.
  • Die oben beschriebene Konfiguration erlaubt es einer großen Anzahl von Trägern, sequentiell mittels von Oberflächenschallwellenerzeugungseinheiten, hergestellt an den Enden der Trägeranordnung, zu oszillieren und die Positionen zu messen, an denen die große Anzahl von Trägern in Kontakt mit einer Probe als Helligkeit der Laserinterferenzhöhlungen der entsprechenden Träger in Kontakt kommen. Das System kann in einer solchen Weise konfiguriert sein, daß Helligkeit jeder Interferenzhöhlung bezüglich der Helligkeit des korrespondierenden Pixels des Videomonitors reflektiert. Alternativ kann das System in einer solchen Weise konfiguriert sein, daß eine Probe entlang einer Probenfläche relativ zur Trägeranordnung gescannt wird, so daß jede Interferenzhöhlung Helligkeit für mehrere Pixel vermittelt. Die Oberflächenschallwellen können kontinuierliche Wellen oder Explosionswellen sein. Durch Synchronisation von Explosionswellen wird es möglich, Oszillation anzuregen, während bevorzugt einer von verschiedenen Oszillationsmodi der Träger ausgewählt wird. Ferner kann durch Verwendung eines Phänomens, daß eine Probe sich unterschiedlich verhält abhängig von der Oszillationsfrequenz der Prüfspitze, die Verteilung der Materialeigenschaften innerhalb der Probe visualisiert werden. Man beachte, daß die vorliegende Erfindung nicht nur auf die Messung von Proben angewendet werden kann, sondern ebenfalls auf die Verarbeitung, einschließend Ablesen und Schreiben von digitalen Daten.
  • Ferner wird es möglich, Oberflächenschallwellen oder Lamb-Wellen in der Basis zu erzeugen, an der die nanometrischen mechanischen Oszillatoren befestigt sind, um die mechanischen Oszillatoren zu veranlassen, sich sequentiell einer Probe anzunähern, um dadurch die Probe zu messen oder zu verarbeiten.
  • 29 ist eine konfigurationsartige Ansicht eines nanometrischen mechanischen Oszillators.
  • Wie in 29 gezeigt ist, schließt ein nanometrischer mechanischer Oszillator 150 eine Basis 151, einen aus Kunststoff gebildeten Träger 152 und eine Prüfspitze 153, die an der Spitze des Trägers 152 angefügt ist, ein. Der Träger 152 enthält Pulver eines magnetischen Materials und ist in einem Streifenmuster magnetisiert. D. h., der Träger 152 ist hauptsächlich aus Kunststoff enthaltend magnetisches Pulver gebildet, das entlang einer Richtung magnetisiert, die die axiale Richtung des Trägers schneidet.
  • Da magnetisches Pulver in einem spezifischen Muster magnetisiert ist oder entlang einer spezifischen Richtung in dem Träger integriert ist, wird es möglich, Oszillationen höherer Ordnung bevorzugt in dem Träger mittels eines äußeren wechselnden magnetischen Feldes zu induzieren.
  • 30 ist eine konfigurationsartige Ansicht eines nanometrischen mechanischen Oszillators.
  • Wie in 30 gezeigt ist, schließt ein nanometrischer mechanischer Oszillator 160 eine Basis 161, einen aus Kunststoff gebildeten Träger 162 und eine Prüfspitze 163, die an der Spitze des Trägers 162 angefügt ist, ein. Der Träger 162 enthält Whiskerkristalle, die entlang einer spezifischen Richtung oder in einem spezifischen Muster angeordnet sind. D. h., der Träger 162 ist hauptsächlich gebildet aus Kunststoff, der Whiskerkristalle enthält, die entlang der axialen Richtung des Trägers angeordnet sind.
  • Da Whiskerkristalle, die entlang einer spezifischen Richtung oder in einem spezifischen Muster angeordnet sind, in dem Träger integriert sind, wird es möglich, dem Träger Anisotropie bezüglich der mechanischen Eigenschaften und elektrischen Eigenschaften zu vermitteln, welche Anisotropie nicht in einem Träger erhalten werden kann, der lediglich aus einem einzigen Material gebildet ist.
  • 31 ist eine konfigurationsartige Ansicht eines nanometrischen mechanischen Oszillators.
  • Wie in 31 gezeigt ist, schließt ein nanometrischer mechanischer Oszillator 170 eine Basis 171, einen Träger 174 und eine Prüfspitze 175, die an der Spitze des Trägers 174 angeordnet ist (auf der umgekehrten Seite), ein. Der Träger 174 wird durch Führungen 173 geführt. Zwei Oberflächenschallwellenerzeugungseinheiten 172 und 176, die jeweils als eine Betätigungsvorrichtung dienen, sind an der Basis 171 angeordnet. Daher kann der Träger 174 bewegt werden, um die effektive Länge desselben zu verändern.
  • Wenn eine Probe unter einem Scanning-Kraftmikroskop durch Verwendung eines Trägers fixierter Länge beobachtet wird, kann die Verteilung der Materialeigenschaften einer Probe an der Basis der Weise einer Erzeugung der Oszillationsmodi höherer Ordnung des Trägers untersucht werden. Da jedoch die Länge des Trägers fixiert ist, kann eine Messung lediglich bei bestimmten Frequenzen durchgeführt werden. Da ein Träger mit einer variablen Menge verwirklicht ist, kann die Oszillationsfrequenz des Trägers kontinuierlich überschwenkt werden oder innerhalb eines großen Frequenzbereichs überschwenkt werden. Als ein Ergebnis wird eine genauere Messung von Probeneigenschaften möglich; und eine kleine Verteilung der Materialeigenschaften innerhalb einer Probe, die bislang unmöglich beobachtet werden konnte, kann visualisiert werden.
  • 32 ist eine konfigurationsartige Ansicht eines nanometrischen mechanischen Oszillators.
  • Wie in 32 gezeigt ist, schließt ein nanometrischer mechanischer Oszillator 180 der vorliegenden Ausführungsform eine Reihe von Anziehungselektroden 182 ein, die angeordnet sind, um einen Endbereich eines Trägers 163, angeordnet an einer Basis 181, zu umgeben. Die Anziehungselektroden 182 ziehen selektiv unterschiedliche Teile des Träges 183 mittels elektrostatischer Anziehungskraft an, um dadurch den Träger 183 zu bewegen und damit die effektive Länge des Trägers 183 zu verändern. Bezugszeichen 184 bezeichnet eine Prüfspitze; 185 bezeichnet eine Führung; und 186 bezeichnet eine Oberflächenschallwellenerzeugungseinheit.
  • Wenn ferner die Länge des Trägers variabel ist, können die fundamentale Oszillationsfrequenz und die Modi höhere Ordnung überschwenkt werden. Durch Herstellung eines Oberflächenschallwellenerzeugungselements in der Nähe des Basisendes des Träges wird es daher möglich, die fundamentale Oszillationsfrequenz und die Modi höhere Ordnung innerhalb eines breiten Frequenzbandes abzutasten.
  • 33 bis 36 sind Ansichten, die Schritte zum Herstellen eines nanometrischen mechanischen Oszillators zeigen.
    • (1) Wie in 33(a) gezeigt ist, wird zunächst ein SOI-Wafer (Silizium auf Isolator) bestehend aus einer Si-Schicht (Dicke: 1 bis 3 μm) 203, einer SiO2-Schicht 202 und einer Si-Schicht 201 hergestellt. Die Si-Schicht 203 weist eine Dicke von 1 bis 3 μm auf, wodurch die Größe der dreieckigen Pyramiden 203F bestimmt wird, die jeweils als eine Masse eines Trägers dienen (siehe 36, welche später beschrieben wird).
    • (2) Wie in 33(b) gezeigt ist, wird anschließend ein Si3Ni4-Film (Dicke: 20 nm) 204 auf der Si-Schicht 203 durch LPCVD abgeschieden.
    • (3) Wie in 33(c) gezeigt ist, wird anschließend ein rechteckiger Fotolack entlang der (100)-Richtung aufgetragen, und die Si3N4-Schicht 204 wird mittels RIE (reaktives Ionenätzen) geätzt, so daß eine Si3N4-Schicht 204A verbleibt.
    • (4) Wie in 33(d) gezeigt ist, während die Si3N4-Schicht 204 verwendet wird als eine Maske, wird die obere Si-Schicht 203 anschließend durch Verwendung von KOH oder RIE geätzt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Ätzzeit gesteuert, so daß die restlichen Bereiche 203B der oberen Si-Schicht 203 eine Dicke von 100 bis 200 nm aufweisen. Die Dicke der restlichen Si-Schicht 203B bestimmt die Dicke der Feder des Trägers. Man beachte, daß die Dicke der restlichen Si-Schicht 203B unter Berücksichtigung der Dicke des Si-Schicht 203B bestimmt wird, die um 30 nm aufgrund der thermischen Oxidation in Schritten (5) und (8) abnimmt, was später beschrieben wird, so daß die Dicke der Si-Schicht 203B um 60 nm insgesamt abnimmt.
    • (5) Wie in 34(a) gezeigt ist, wird anschließend eine thermische Si-Oxidation mittels einer lokalen Si-Oxidation (LOCOS) durchgeführt, um dadurch eine Si-Oxidschicht 203D zu bilden.
    • (6) Wie in 34(b) gezeigt ist, wird ein rechteckiger Fotolack entlang der (010)-Richtung aufgetragen, und die Si3N4-Schicht 204A wird mittels RIE geätzt, so daß eine Si3N4-Schicht 204B verbleibt.
    • (7) Wie in 34(c) gezeigt ist, während die Si3N4-Schicht 204B und die in Schritt von 34(a) gebildete Si-Oxidschicht als eine Maske verwendet werden, wird anschließend die obere Si-Schicht 203 anisotrop durch Verwendung von KOH geätzt. Wenn {111}-Ebenen, die durch die vier Ecken der Si3N4-Schicht 204B führen, exponiert werden, tritt die untere SiO2-Schicht (Zwischenoxidschicht) 202 hervor. Ferner werden Bereiche A der Si-Schicht 203B in der (010)-Richtung beim weiteren Fortschritt des anisotropen Ätzens durch Verwendung von KOH geätzt. Dies bestimmt die Länge der Feder des Trägers. Da die {111}-Ebenen nicht während des Ätzens geätzt werden, beeinträchtigt das Ätzen nicht die Positionen und die Größe der dreieckigen Pyramiden 203F, die jeweils als eine Trägermasse dienen (siehe 36, welche später beschrieben wird).
    • (8) Wie in 35(a) gezeigt ist, wird anschließend eine thermische Si-Oxidation mittels einer lokalen Si-Oxidation (LOCOS) durchgeführt.
    • (9) Wie in 35(b) gezeigt ist, wird anschließend die Si3N4-Schicht 204B durch Verwendung von H3PO4 entfernt, um dadurch die Oberfläche der Si-Schicht 203E zu exponieren.
    • (10) Wie in 35(c) gezeigt ist, während die in Schritt von 34(a) gebildete Oxidschicht und die in Schritt von 35(a) gebildete Oxidschicht als eine Maske verwendet werden, wird anschließend die Si-Schicht 203E anisotrop durch Verwendung von KOH geätzt. Daher werden {111}-Ebenen, ausgehend von den vier Ecken der Si3N4-Schicht 204B, gebildet. Diese Ebenen sind ausgerichtet, um die {111}-Ebenen, die in Schritt von 34(c) gebildet wurden, in einem Winkel von 90° zu schneiden. Die untere SiO2-Schicht 202 tritt hervor. Ferner werden Bereiche C der Si-Schicht 203B in der (010)-Richtung beim weiteren Fortschritt des anisotropen Ätzens durch Verwendung von KOH geätzt, in einer solchen Weise, daß die Bereiche C die gleiche Länge wie diejenige des Bereichs A, der in Schritt von 34(c) gebildet wurde, aufweisen. Dies bestimmt die Länge der Feder des Trägers. Während dieses Ätzens, da die {111}-Ebenen nicht geätzt werden, beeinträchtigt dieses Ätzen nicht die Positionen und die Größe der dreieckigen Pyramiden 203F, die jeweils als eine Trägermasse dienen (siehe 36, welche später beschrieben wird).
    • (11) Wie in 36(a) gezeigt ist, werden anschließend die Oxidschichten (LOCOS), die in den Schritten von 34(a) und 35(a) gebildet wurden, und welche als eine Maske zum anisotropen KOH-Ätzen in den Schritten von 34(c) und 35(c) dienten, entfernt.
    • (12) Wie in 36(b) gezeigt ist, wird schließlich nach der Musterbildung parallel zur (100)-Richtung das SiO2 durch Verwendung von BHF geätzt, um, in einem fliegendgelagerten Zustand, einen Träger zu bilden, bei dem die dreieckigen Si-Pyramiden 203F, die als Massen dienen, durch die Si-Schicht 203B gestützt werden.
  • (Schritt 12) wird im Detail unter Bezugnahme auf 37 und 38 beschrieben.
    • 1. Wie in den 37(a) und 38(a) gezeigt ist, wird zunächst eine Struktur, so daß die dreieckigen Si-Pyramiden 203F durch die Si-Schicht 203B gestützt werden, gebildet.
    • 2. Wie in 37(b) gezeigt ist, wird anschließend ein Cr-Film 205 oder ein ähnlicher Film, der BHF-überstehen kann und selektiv später entfernt werden kann, durch beispielsweises Sputtern gebildet.
    • 3. Wie in 37(c) gezeigt ist, wird anschließend der Cr-Film 205 parallel zur (100)-Richtung gemustert.
    • 4. Wie in 37(d) und 38(b) gezeigt ist, wird anschließend die SiO2-Schicht 202 vertikal mittels RIE geätzt.
    • 5. Wie in 37(e) gezeigt ist, wird anschließend die SiO2-Schicht seitlich durch Verwendung von BHF geätzt, um Träger in einem freigelagerten Zustand zu bilden.
    • 6. Wie in 37(f) und 38(c) gezeigt ist, wird anschließend der Cr-Film 205 durch HY entfernt.
  • 39 ist eine Ansicht, die eine Trägeranordnung zeigt, bei welcher ein Oszillator mit einer dreieckig-pyramidalen Prüfspitze an dem spitzen Ende eines Chips bereitgestellt ist.
  • Wie in 39 gezeigt ist, durch anisotropes Ätzen von Silizium durch Verwendung von KOH, kann ein Oszillator 302 mit einer dreieckig-pyramidalen Prüfspitze an dem spitzen Bereich 301 eines Millimeterchips angeordnet werden, welcher durch Verwendung von beispielsweise Pinzetten gehandhabt werden kann. Eine große Anzahl an angeordneten Trägern 303 jeweils mit einer dreieckig-pyramidalen Prüfspitze kann gebildet werden. Daher kann einer der Träger 303, der der Spitze am nächsten ist, in Kontakt mit einer Probe gebracht werden.
  • 40 bis 43 sind Ansichten, die Schritte zum Herstellen eines nanometrischen mechanischen Oszillators zeigen.
    • (1) Wie in 40(a) gezeigt ist, wird zuerst ein SOI-Wafer (Silizium auf Isolator) bestehend aus einer Si-Schicht (Dicke: 1 bis 3 μm) 203, einer SiO2-Schicht 202 und einer Si-Schicht 201 hergestellt. Die Si-Schicht 203 weist eine Dicke von 1 bis 3 μm auf, wodurch die Größe der verbundenen dreieckigen Pyramiden bestimmt wird, die jeweils als eine Masse eines über parallele Federn gestützten Oszillators dienen.
    • (2) Wie in 40(b) gezeigt ist, wird anschließend eine Si3N4-Schicht (Dicke: 20 nm) 204 auf der Si-Schicht 203 durch LPCVD abgeschieden.
    • (3) Wie in 40(c) gezeigt ist, wird anschließend ein rechteckiger Fotolack entlang der (100)-Richtung aufgetragen, und die Si3N4-Schicht 204 wird mittels RIE (reaktives Ionenätzen) geätzt, so daß eine Si3N4-Schicht 204A verbleibt.
    • (4) Wie in 40(d) gezeigt ist, während die Si3N4-Schicht 204A als eine Maske verwendet wird, wird anschließend die obere Si-Schicht 203 durch Verwendung von KOH oder RIE geätzt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Ätzen veranlaßt, in der (010)-Richtung voranzuschreiten, während die Ätzdauer sorgsam gesteuert wird. Die Breite der restlichen Si-Schicht 203B bestimmt die Breite der verbundenen dreieckigen Pyramiden, die jeweils als eine Masse eines über eine parallele Feder gestützten Oszillators dienen. Wenn die Breite der restlichen Si-Schicht 203B nicht ausreichend schmal ist, werden die verbundenen dreieckigen Pyramiden, die jeweils als eine Masse dienen, geteilt, und ein über eine parallele Feder gestützter Oszillator kann im abschließenden Schritt nicht erhalten werden. Daher muß die Breite der restlichen Si-Schicht 203 sorgfältig kontrolliert werden.
    • (5) Wie in 41(a) gezeigt ist, wird anschließend eine thermische Si-Oxidation mittels einer lokalen Si-Oxidation (LOCOS) durchgeführt.
    • (6) Wie in 41(b) gezeigt ist, wird anschließend ein rechteckiger Fotolack entlang der (010)-Richtung aufgetragen, und die Si3N4-Schicht 204A (41(a)) wird mittels RIE geätzt, so daß eine Si3N4-Schicht 204B verbleibt.
    • (7) Wie in 41(c) gezeigt ist, während die Si3N4-Schicht 204B und die in Schritt von 41(a) gebildete Si-Oxidschicht als eine Maske verwendet werden, wird anschließend die obere Si-Schicht 203 anisotrop durch Verwendung von KOH geätzt. Da die {111}-Ebenen nicht während des Si-Ätzens durch Verwendung von KOH geätzt werden, werden {111}-Ebenen, die durch die vier Ecken der Si3N4-Schicht 204B gelangen, exponiert, und die untere SiO2-Schicht 202 tritt hervor.
    • (8) Wie in 41(d) gezeigt ist, wird anschließend eine thermische Si-Oxidation mittels einer lokalen Si-Oxidation (LOCOS) durchgeführt.
    • (9) Wie in 42(a) gezeigt ist, wird anschließend die Si3N4-Schicht 204B durch Verwendung von H3PO4 entfernt, um dadurch die Oberseite der Si-Schicht 203E zu exponieren.
    • (10) Wie in 42(b) gezeigt ist, während die in Schritt von 41(a) gebildete Oxidschicht und die in Schritt 41(d) gebildete Oxidschicht als eine Maske verwendet werden, wird anschließend die Si-Schicht 203E anisotrop durch Verwendung von KOH geätzt. Daher werden {111}-Ebenen, die aus den vier Ecken der Si3N4-Schicht 204B starten, gebildet. Diese Ebenen sind ausgerichtet, um die {111}-Ebenen, die in dem Schritt von 41(c) gebildet werden, in einem Winkel von 90° zu schneiden. Die untere SiO2-Schicht 202 tritt hervor. Daher werden die verbundenen dreieckigen Pyramiden 203F, die jeweils als eine Masse eines über eine parallele Feder geträgerten Oszillators dienen, gebildet.
    • (11) Wie in 42(c) gezeigt ist, werden anschließend die Oxidschichten (LOCOS), die in den Schritten von 41(a) und 41(d) gebildet wurden und die als eine Maske zum anisotropen-Ätzen in den Schritten von 41(c) und 42(b) dienten, entfernt.
    • (12) Wie in 42(d) gezeigt ist, während verbundene dreieckige Pyramiden 203F als eine Maske verwendet werden, wird anschließend die SiO2-Schicht 202 durch RIE (CHF3-Gas) geätzt. Die Zwischenoxidschicht 202 wird geätzt, um SiO2-Säulen 202A zu bilden, jeweils mit einem Querschnitt gleich der Form der Oberfläche der verbundenen dreieckigen Pyramiden 203F.
    • (13) Wie in 43(a) gezeigt ist, wird anschließend ein Cr-Film 205 eines Materials, wie Polysilizium, welches gute mechanische Eigenschaften als eine Feder aufweist und BHF-Ätzen überstehen kann, schräg abgeschieden, durch Sputtern oder Vakuumdampfabscheidung, auf den verbundenen dreieckigen Pyramiden 203F und den SiO2-Säulen 202A in einer Richtung parallel zur (010)-Richtung. Lediglich Bereiche 205A der Schicht 205 werden auf den verbundenen dreieckigen Pyramiden 203F und den SiO2-Säulen 202A abgeschieden, und jeder soll als eine Feder des korrespondierenden, über eine parallele Feder gestützten Oszillators dienen.
    • (14) Wie in 43(b) gezeigt ist, wird das gleiche Material schräg abgeschieden auf den verbundenen dreieckigen Pyramiden 203F und den SiO2-Säulen 202A in einer Richtung parallel zur (010)-Richtung, so daß eine Schicht 206 mit der gleichen Dicke wie diejenige der Schicht 205 auf den Oberflächen der verbundenen dreieckigen Pyramiden 203F und den SiO2-Säulen 202A gegenüberliegend den Oberflächen gebildet wird, auf denen der Film 205 im Schritt von 43(a) gebildet wurde. Lediglich Bereiche 206A des Films 206 werden auf den verbundenen dreieckigen Pyramiden 203F und den SiO2-Säulen 202A abgeschieden, und jede soll als die andere Feder des entsprechenden, über eine parallele Feder gestützten Oszillators dienen.
    • (15) Wie in 43(c) gezeigt ist, werden schließlich die SiO2-Säulen 202A durch BHF entfernt. Somit sind über eine parallele Feder gestützte Oszillatoren jeweils einschließend die verbundenen dreieckigen Pyramiden 203F, die als eine Masse dienen, und Federn, die aus den Filmen 205A und 206A, abgeschieden in den Schritten von 43(a) und 43(b) gebildet werden, vollständig.
  • 44 bis 47 sind Ansichten, die Schritte zum Herstellen eines nanometrischen mechanischen Oszillators zeigen.
    • (1) Wie in 44(a) gezeigt ist, wird zunächst ein SOI-Wafer (Silizium auf Isolator) bestehend aus einer Si-Schicht (Dicke: 1 bis 3 μm) 203, einer SiO2-Schicht 202 und einer Si-Schicht 201 hergestellt. Die Si-Schicht 203 weist eine Dicke von 1 bis 3 μm auf, wodurch die Größe der verbundenen dreieckigen Pyramiden bestimmt wird, die jeweils als eine Masse eines über parallele Federn gestützten Oszillators dienen. Anschließend wird eine Si3N4-Schicht (Dicke: 20 nm) 204 auf der Si-Schicht 203 durch LPCVD abgeschieden.
    • (2) Wie in 44(b) gezeigt ist, wird anschließend ein rechteckiger Fotolack entlang der (100)-Richtung aufgetragen, und die Si3N4-Schicht 204 wird mittels RIE geätzt, so daß eine Si3N4-Schicht 204A verbleibt.
    • (3) Wie in 44(c) gezeigt ist, während die Si3N4-Schicht 204A als eine Maske verwendet wird, wird anschließend die obere Si-Schicht 203 durch Verwendung von KOH geätzt. Da die {111}-Ebenen nicht während des Si-Ätzens durch Verwendung von KOH geätzt werden, wird eine Si-{111}-Ebene exponiert, um sich parallel zur Si3N4-Schicht 204A zu erstrecken. Die untere SiO2-Schicht 202 tritt hervor.
    • (4) Wie in 44(d) gezeigt ist, wird anschließend eine thermische Si-Oxidation mittels einer lokalen Si-Oxidation (LOCOS) durchgeführt. Lediglich die Oberflächenschicht der Si-{111}-Ebene, die in Schritt von 44(d) exponiert wird, wird oxidiert, so daß die Oberflächenschicht eine SiO2-Schicht 203B wird.
    • (5) Wie in 45(a) gezeigt ist, wird anschließend die Si3N4-Schicht 204A durch Verwendung von H3PO4 entfernt, um dadurch die Oberseite der Si-Schicht 203A zu exponieren.
    • (6) Wie in 45(b) gezeigt ist, während die in Schritt von 44(d) gebildete Si-Oxidschicht als eine Maske verwendet wird, wird anschließend die obere Si-Schicht 203A anisotrop durch Verwendung von KOH geätzt. Da {111}-Ebenen nicht während des Si-Ätzens durch Verwendung von KOH geätzt werden, wird ein Si-Draht 203C mit einer Si-{111}-Ebene gegenüberliegend zugewandt der Si-{111}-Ebene, die in Schritt von 44(c) gebildet wurde, gebildet.
    • (7) Wie in 45(c) gezeigt ist, wird anschließend eine thermische Si-Oxidation mittels einer lokalen Si-Oxidation (LOCOS) durchgeführt. Lediglich die Oberflächenschicht der Si-{111}-Ebene, die im Schritt von 45(b) exponiert wird, wird oxidiert, so daß die Oberflächenschicht eine SiO2-Schicht 203D wird.
    • (8) Wie in 45(d) gezeigt ist, wird anschließend Fotolack 205B entlang einer Richtung senkrecht zum Si-Draht 203C, der in Schritt von 45(d) gebildet wird, aufgetragen. Die Breite der Fotolackschicht bestimmt die Länge einer Masse des über eine parallele Feder gestützten Oszillators.
    • (9) Wie in 46(a) gezeigt ist, während der im Schritt von 45(d) aufgetragene Fotolack 205B als eine Maske verwendet wird, werden die Oxidschichten 203B und 203D gemustert.
    • (10) Wie in 46(b) gezeigt ist, während die Oxidschichten 203E und 203F als eine Maske verwendet werden, wird anschließend der Si-Draht 203, der im Schritt von 46(a) exponiert wurde, durch Verwendung von KOH geätzt. Als ein Ergebnis wird eine Si-{111)-Ebene senkrecht zum Si-Draht 204C exponiert.
    • (11) Wie in 46(c) gezeigt ist, werden anschließend die Oxidschichten, die in den Schritten von 44(d) und 45(c) gebildet wurden, entfernt.
    • (12) Wie in 46(d) gezeigt ist, während ein dreidimensionaler Vorsprung, umgeben von vier Si-{111}-Ebenen, als eine Maske verwendet wird, wird anschließend die SiO2-Schicht 202 durch RIE (CHF3-Gas) geätzt. Die Zwischenoxidschicht 202 wird geätzt, um eine SiO2-Säule 202A mit einem Querschnitt gleich der Form der Oberfläche eines Vorsprungs 204G zu bilden.
    • (13) Wie in 47(a) gezeigt ist, wird anschließend eine Schicht 206, beispielsweise aus Polysilizium, welches gute mechanische Eigenschaften als eine Feder aufweist und BHF-Ätzen standhalten kann, schräg abgeschieden, durch Sputtern oder Vakuumdampfabscheidung, auf dem dreidimensionalen Si-Vorsprung 203G und der SiO2-Säule 202A in einer Richtung parallel zur (110)-Richtung. Lediglich ein Teil 206A des Films 206 wird auf dem dreidimensionalen Si-Vorsprung 203G und der SiO2-Säule 202A abgeschieden und soll als eine Feder des über parallele Federn gestützten Oszillators dienen.
    • (14) Wie in 47(b) gezeigt ist, wird anschließend das gleiche Material schräg auf dem dreidimensionalen Si-Vorsprung 203G und der SiO2-Säule 202A in einer Richtung parallel zur (110)-Richtung abgeschieden, so daß eine Schicht 207 mit der gleichen Dicke wie diejenige der Schicht 206 auf der Oberfläche des dreidimensionalen Si-Vorsprungs 203G und der SiO2-Säule 202A gegenüberliegend der Oberfläche gebildet wird, auf der die Schicht 206 im Schritt von 47(a) gebildet wurde. Lediglich ein Teil 207A der Schicht 207 wird auf dem dreidimensionalen Si-Vorsprungs 203G und der SiO2-Säule 202A abgeschieden und soll als die andere Feder des über parallele Federn gestützten Oszillators dienen.
    • (15) Wie in 47(c) und 47(d) gezeigt ist, wird schließlich die SiO2-Säule 202A durch BHF entfernt. Somit ist ein über parallele Feder gestützter Oszillator vollständig, welcher den dreidimensionalen Si-Vorsprung 203G einschließt, der als eine Masse dient, und Federn gebildet aus den Schichten 206A und 207A, abgeschieden in den Schritten von 47(a) und 47(b).
    • (16) Man beachte, daß der obere Bereich des dreidimensionalen Si-Vorsprungs 203G, der in 47(c) und 47(d) gezeigt ist und als eine Masse eines über parallele Feder gestützten Oszillators dient, gebildet werden kann, um die Form einer kegelstumpfartigen, rechteckigen Pyramide anzunehmen.
  • Eine schräge Dampfabscheidung wird aus gegenüberliegenden Seiten durchgeführt, um eine parallele Feder bestehend aus zwei Plattenfedern zu bilden, welche eine Prüfspitzenmasse oder eine Masse mit einer flachen Ebene stützen.
  • Durch Einsatz der oben beschriebenen Konfiguration wird es möglich, einen Stützmechanismus für eine Prüfspitze oder einen dreidimensionalen Körper zu verwirklichen, der eine Erzeugung einer akkuraten Translationsverschiebung ermöglicht. Wenn ferner eine Struktur einschließend parallele Federn, die sich senkrecht schneiden, hergestellt wird durch Verwendung eines mehrschichtigen Substrats, kann nicht nur ein Translationsverschiebungsmechanismus mit einem einzigen Freiheitsgrad, sondern ebenfalls ein Translationsverschiebungsmechanismus mit einer Vielzahl von Freiheitsgraden verwirklicht werden. Dies ermöglicht eine supergenaue Positionierung oder ein Experiment zum Messen physikalischer Eigenschaften, während Bewegung oder Freiheitsgrad eingeschränkt wird, innerhalb eines Bereichs von einem Nanometerbereich bis zu einem Mikrometerbereich.
  • Wie oben beschrieben, können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Auflösung eines Scanning-Kraftmikroskops bei der Detektion von Variationen der Kraft oder Masse in großem Maße verbessern. D. h., eine Prüfspitze mit einem stabilen nanometrischen mechanischen Oszillator kann hergestellt werden.
  • Ferner ist es möglich, die statischen und dynamischen Eigenschaften eines erhaltenen mechanischen Oszillators abzuschätzen, um dadurch die Auflösung bei der Detektion von Kraft oder Masse zu erhalten.
  • Ferner kann ein Scanning-Kraftmikroskop, welches als eine Prüfspitze einen Oszillator verwendet, der in der oben beschriebenen Art und Weise hergestellt worden ist, verwirklicht werden. In diesem Falle kann ein einzelnes Atom oder ein Cluster von Atomen gescannt werden, und eine resultierende Variation der charakteristischen Frequenz der oszillatorartigen Prüfspitze kann detektiert werden. Die Möglichkeit der Atomidentifikation kann untersucht werden. Zusätzlich kann eine Leistung als ein herkömmliches Scanning-Kraftmikroskop eingeschätzt werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.
  • Wie oben im Detail beschrieben, sollen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die folgenden Effekte erreichen.
    • (1) Es wird möglich, einen stabilen und hochempfindlichen, nanometrischen mechanischen Oszillator mit einer beträchtlich hohen Detektionsauflösung bereitzustellen, die eine Detektion der Variation in bezug auf Kraft oder Masse in Nanometergrößenordnung ermöglicht, ebenso wie ein Verfahren zum Herstellen desselben und eine Meßvorrichtung unter Verwendung desselben.
    • (2) Es wird möglich, die statischen und dynamischen Eigenschaften eines erhaltenen mechanischen Oszillators einzuschätzen, um dadurch die Auflösung bei der Detektion von Kraft oder Masse zu erhalten.
    • (3) Es wird möglich, ein Scanning-Kraftmikroskop zu verwirklichen, welches als eine Prüfspitze einen Oszillator verwendet, der in der oben beschriebenen Art und Weise hergestellt worden ist, um ein einzelnes Atom oder ein Cluster von Atomen zu scannen und eine resultierende Variation bezüglich der charakteristischen Frequenz der oszillatorartigen Prüfspitze zu detektieren.
    • (4) Aufgrund der sehr hohen Kraftdetektionsempfindlichkeit, die durch Verwendung eines nanometrischen Oszillators erhalten wird, kann ein Oberflächenscannen oder eine Substanzmanipulation bewirkt werden, während ein sehr dünnes Röhrchen oder ein Whiskerkristall, wie ein Nanokohlenstoffröhrchen oder ein Whiskerkristall, als eine Prüfspitze verwendet wird, ohne Aufbrechen der dünnen Prüfspitze.
    • (5) Sogar wenn der Oszillator nicht als ein Oszillationselement verwendet wird, ist eine Messung von Teilchen möglich. Da der Oszillator eine sehr kleine Masse aufweist, bewirkt, wenn ein Teilchen mit der Masse zusammenstößt, die Masse eine große Verschiebung, die detektiert werden kann.
    • (6) Die Integration eines Antriebselements oder eines Verschiebungsdetektionselements in jeden einer großen Anzahl von angeordneten mechanischen Oszillatoren ist nicht leicht. Obwohl solche mechanischen Oszillatoren hergestellt werden können, ist eine Verarbeitung einer großen Anzahl von Signalausgaben aus der großen Anzahl von Trägern bei hoher Geschwindigkeit schwierig.
  • In der vorliegenden Erfindung wird eine große Anzahl von angeordneten Trägern angeregt, um mittels von Oberflächenschallwellen zu oszillieren, welche veranlaßt werden, entlang der Oberfläche voranzuschreiten, mit der die Träger in Kontakt kommen in einem stationären Zustand, oder zu den Basisbereichen der Träger voranzuschreiten, wodurch die Prüfspitzen, die auf den Oberflächen der Träger zugewandt einer Probe fixiert sind, veranlaßt werden, sich der Probe anzunähern. Eine Position, bei der jede Prüfspitze in Kontakt mit der Probe kommt, wird an der Basis einer durchschnittlichen Helligkeit, erhalten aus der Interferenzaushöhlung gebildet zwischen der Rückfläche des Trägers und der unteren Oberfläche der ersten Schicht, gemessen. Somit wird es möglich, eine große Anzahl von Trägern zu veranlassen, sequentiell mittels einer Oberflächenschallwellenerzeugungseinheit zu oszillieren, die am Ende der Trägeranordnung oder auf der Rückseite einer Welle hergestellt ist, und um die Positionen zu messen, bei denen die große Anzahl von Trägern in Kontakt mit der Probe als Helligkeit einer Laserinterferenzaushöhlung der entsprechenden Träger kommt. Das System ist konfiguriert in einer solchen Weise, daß Helligkeit jeder Laserinterferenzaushöhlung auf Helligkeit der entsprechenden Pixel des Videomonitors reflektiert, oder in einer solchen Weise, daß eine Probe entlang einer Probenebene relativ zur Trägeranordnung gescannt wird, so daß jede Interferenzaushöhlung Helligkeit an mehrere Pixel vermittelt. Man beachte, daß kontinuierliche Wellen oder Explosionswellen als Oberflächenschallwellen verwendet werden. Durch Synchronisation von Explosionswellen wird es möglich, Oszillation anzuregen, während bevorzugt einer von verschiedenen Oszillationsmodi der Träger ausgewählt wird. Durch Einsatz eines Phänomens, daß eine Probe sich unterschiedlich abhängig von der Oszillationsfrequenz der Prüfspitze verhält, kann ferner die Verteilung der Materialeigenschaften innerhalb der Probe visualisiert werden. Man beachte, daß die vorliegende Erfindung nicht nur auf die Messung von Proben, sondern ebenfalls auf die Verarbeitung der Proben angewendet werden kann.
    • (7) Es wird möglich, Oberflächenschallwellen oder Lamb-Wellen in der Basis zu erzeugen, an welcher nanometrische mechanische Oszillatoren befestigt sind, um die mechanischen Oszillatoren zu veranlassen, sich sequentiell einer Probe zu nähern, um dadurch die Probe zu messen oder zu verarbeiten.
    • (8) Da magnetisches Pulver, das entlang einer spezifischen Richtung oder in einem spezifischen Muster magnetisiert ist, in dem Träger integriert ist, ist es möglich, bevorzugt Oszillationen höherer Ordnung in dem Träger mittels eines äußeren sich wechselnden magnetischen Felds zu induzieren.
    • (9) Da Whiskerkristalle, die entlang einer spezifischen Richtung oder in einem spezifischen Muster angeordnet sind, in dem Träger integriert sind, wird es möglich, dem Träger Anisotropie bezüglich mechanischer Eigenschaften und elektrischer Eigenschaften zu vermitteln, welche Anisotropie nicht in einem Träger, gebildet aus lediglich einem einzigen Material, erhalten werden kann.
    • (10) Wenn eine Probe unter einem Scanning-Kraftmikroskop durch Verwendung eines Trägers fixierter Länge beobachtet wird, kann die Verteilung der Materialeigenschaften einer Probe auf der Basis der Art und Weise der Erzeugung der Oszillationsmodi höherer Ordnung des Trägers untersucht werden. Da jedoch die Länge des Trägers fixiert ist, kann eine Messung lediglich bei diskreten Frequenzen durchgeführt werden. In der vorliegenden Erfindung, da ein Träger mit einer variablen Länge verwirklicht ist, kann die Oszillationsfrequenz des Trägers kontinuierlich abgetastet oder innerhalb eines breiten Frequenzbereichs abgetastet werden. Als ein Ergebnis wird eine genauere Messung von Probeneigenschaften möglich; und eine enge Verteilung der Materialeigenschaften innerhalb einer Probe, die bisher unmöglich beobachtet werden konnte, kann visualisiert werden.
    • (11) Gegenwärtig wird ein Oszillationselement, wie ein Piezoelement, an dem Basisbereich eines Trägers angefügt, um Oszillationsmodi höherer Ordnung des Trägers zu induzieren. In der vorliegenden Erfindung wird ein Oberflächenschallwellenerzeugungselement, welches leicht Oszillation höherer Frequenz induzieren kann, am Basisbereich eines Trägers hergestellt; und Oberflächenschallwellen werden veranlaßt, in dem Träger voranzuschreiten, um dadurch eine Prüfspitze mit einer vorgegebenen Frequenz zu oszillieren. Daher wird es möglich, Eigenschaften einer Probe zu detektieren, die mit der Frequenz variieren.
    • (12) Wenn die Länge des Trägers variabel ist, können die fundamentale Oszillationsfrequenz und die Modi höherer Ordnung abgetastet werden. Durch Herstellung eines Oberflächenschallwellenerzeugungselements in der Nähe des Basiselements eines solchen Trägers wird es daher möglich, die fundamentale Oszillationsfrequenz und die Modi höherer Ordnung innerhalb eines breiten Frequenzbandes abzutasten.
    • (13) Eine Prüfspitze, die die Form einer dreieckigen Pyramide annimmt, wird auf einem isolierenden Film eines Halbleitersubstrats in einer solchen Weise gebildet, daß die Prüfspitze nach außen in einer frei gelagerten Anordnung hervorsteht. Aufgrund der Kristallinität von monokristallinem Silizium kann ein nanometrischer mechanischer Oszillator genau hergestellt werden, um gewünschte Form und Abmessungen aufzuweisen. Da in diesem Falle der Träger parallel zum Substrat ist, wird davon ausgegangen, daß Anregung und Detektion der optischen Oszillation und eine gute Kopplung der Oberflächenschallwellen oder anderer Wellen bewirkt werden kann.
    • (14) Zwei dreieckig-pyramidale Prüfspitzen werden auf einem Halbleitersubstrat in einer solchen Weise gebildet, daß die Prüfspitzen nach innen in einem freigelagerten Zustand hervorragen und miteinander verbunden sind. Alternativ wird eine hervorstehende Prüfspitze annehmend die Form eines dreieckigen Prismas oder eines über parallele Feder gestützten Bereichs mit einer Masse annehmend die Form einer kegelstumpfförmigen rechteckigen Pyramide auf dem Halbleitersubstrat bereitgestellt. Daher kann eine genaue Translationsverschiebung bewirkt werden.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Die vorliegende Erfindung ist zur Anwendung für ein stabiles Scanning-Kraftmikroskop hoher Empfindlichkeit geeignet, und es wird erwartet, daß sie bei Massenspektrometern eingesetzt werden kann.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Herstellung eines nanometrischen mechanischen Oszillators, bestehend aus einer Basis, einer Oszillatormasse und einem elastischen Halsabschnitt zur Verbindung der Basis und der Oszillatormasse, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) das sukzessive Bilden einer Siliziumoxidschicht (102) und einer Siliziumschicht auf einem Siliziumsubstrat (101); (b) das anisotropische Ätzen der Siliziumschicht, um ein Siliziumtetraeder (103A) zu bilden; (c) das Ätzen der Siliziumoxidschicht in einer Richtung senkrecht zum Substrat, wobei das Siliziumtetraeder (103A) als eine Maske verwendet wird, um dadurch eine Siliziumoxidsäule (102A) zu bilden; (d) das Aufdampfen von Silizium oder Metall in Schrägrichtung relativ zum Siliziumsubstrat, um dadurch eine Ablagerungsschicht zu bilden; und (e) das Entfernen der Siliziumoxidsäule (102A), um dadurch einen elastischen Halsabschnitt (104) zum Stützen einer tetraedrischen Sonde zu bilden, wobei der Halsabschnitt die Ablagerungsschicht ist, die eine plattenartige Form annimmt und aus Silizium oder Metall besteht.
  2. Verfahren zur Herstellung eines nanometrischen mechanischen Oszillators gemäß Anspruch 1, wobei sich der Halsabschnitt (104) aus zwei Ablagerungsschichten zusammensetzt, die jeweils eine plattenartige Form annehmen und aus Silizium oder Metall bestehen.
  3. Verfahren zur Herstellung eines nanometrischen mechanischen Oszillators gemäß Anspruch 1, umfassend die Schritte des Einbauens eines Elements, welches eine erste Schicht umfasst, die aus einem Piezosubstrat (112) gebildet ist und eine Einheit zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen (113) aufweist; und welches eine zweite Schicht umfasst, die eine große Anzahl von reihig angeordneten Auslegern (117) aufweist, die jeweils von einem Basisabschnitt abstehen und eine Sonde (118) aufweisen, wobei die erste und die zweite Schicht übereinander liegen; und in dem Piezosubstrat (112) akustische Oberflächenwellen entlang von zwei Richtungen in einer Ebene erzeugt werden, so dass sich die jeweiligen Sonden (118) sequenziell einer messbaren Region einer Probe nähern.
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