JP2001056281A - Cantilever for scanning type probe microscope - Google Patents

Cantilever for scanning type probe microscope

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JP2001056281A
JP2001056281A JP11230684A JP23068499A JP2001056281A JP 2001056281 A JP2001056281 A JP 2001056281A JP 11230684 A JP11230684 A JP 11230684A JP 23068499 A JP23068499 A JP 23068499A JP 2001056281 A JP2001056281 A JP 2001056281A
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JP
Japan
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probe
cantilever
lever
displacement
plane
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JP11230684A
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Japanese (ja)
Inventor
Katsuhiro Matsuyama
克宏 松山
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cantilever capable of detecting directly a displacement change of a search needle head. SOLUTION: A cantilever 142 has a lever part 140 having a shape of a beam with both ends fixed and made of single crystal silicon, and a roughly triangular pyramid-shaped probe needle part 138 is formed on the center of the lever part 140. The lever part 140 is supported by a first support part 114, and the first support part 114 is supported by a second support part 136 through a silicon oxide film 104. The surface 286 of the lever part 140 on the opposite side of the probe needle part 138 is faced directly to the first support part 114 side, and a groove is formed in the normal direction of the surface 286. Displacement of the probe needle part 138 caused by the change of irregularities on the sample surface is shown as displacement of the surface 286 of the lever part 140 as it is. Therefore, accurate irregularity information on the sample surface can be obtained by detecting the displacement of the surface 286 of the lever part 140.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡に用いられるカンチレバーに関する。
The present invention relates to a cantilever used for a scanning probe microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡(SPM)は、プロ
ーブすなわち探針部を試料表面に1μm以下に近接ある
いは接触させたときに両者間に働く相互作用(例えば、
原子間力、接触力など)を検出しながら、探針部あるい
は試料をXY方向あるいはXYZ方向に走査することに
より、その相互作用の二次元マッピングを行う装置であ
り、走査型トンネリング顕微鏡(STM)、原子間力顕微
鏡(AFM)、磁気力顕微鏡(MFM)、走査型近接場光顕
微鏡(SNOM)などの総称である。なかでもAFMは、
試料表面の凹凸情報を得る装置としてSPMのなかで最
も普及している。
2. Description of the Related Art A scanning probe microscope (SPM) has an interaction (for example, an interaction between a probe or a probe portion and a probe portion when the probe or probe portion comes close to or less than 1 μm or less).
This is a device that performs two-dimensional mapping of the interaction by scanning the probe part or sample in the XY direction or XYZ direction while detecting the atomic force, contact force, etc., and is a scanning tunneling microscope (STM) , An atomic force microscope (AFM), a magnetic force microscope (MFM), a scanning near-field light microscope (SNOM), and the like. In particular, AFM is
It is the most widespread among SPMs as a device for obtaining unevenness information on a sample surface.

【0003】AFMでは、片持ち支持されたレバー部の
自由端に鋭い突起部分(探針部)を持つカンチレバーを試
料に対向させて近接させ、探針の先端の原子と試料の表
面の原子との間に働く相互作用力(原子間力や接触力等)
により変位するレバー部の動きを電気的あるいは光学的
にとらえて測定しつつ、試料あるいはカンチレバーをX
Y方向に走査し、カンチレバーの探針部と試料の位置関
係を相対的に変化させることによって、試料の凹凸情報
などを三次元的にとらえることができる。
In the AFM, a cantilever having a sharp protruding portion (probe portion) at the free end of a cantilevered lever portion is brought close to and opposed to a sample, and atoms at the tip of the probe and atoms on the surface of the sample are brought close to each other. Interaction force acting between (atomic force, contact force, etc.)
The sample or cantilever is moved to X while measuring the movement of the lever part displaced by
By scanning in the Y direction and relatively changing the positional relationship between the probe portion of the cantilever and the sample, it is possible to three-dimensionally capture information on the unevenness of the sample.

【0004】SPMにおけるレバー部の弾性的な変形量
(撓み量)を検出する方法の例は、例えば特開平5−34
0718号や特開平9−15250号に示されており、
これらは参照により本明細書に組み込まれる。これらの
文献に示されるレバー部の撓み量検出は、既知の「光て
こ方式の変位検出センサー」を用いることにより行われ
ている。他にもレバー部の撓み量検出に関しては、「臨
界角プリズムを用いた焦点ずれ検出法」や「光干渉計を応
用した変位検出センサー」などが知られている。
The amount of elastic deformation of the lever part in SPM
An example of a method of detecting (bending amount) is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-34.
0718 and JP-A-9-15250,
These are incorporated herein by reference. The detection of the amount of deflection of the lever portion described in these documents is performed by using a known “optical lever type displacement detection sensor”. In addition, regarding the detection of the amount of deflection of the lever portion, a “defocus detection method using a critical angle prism”, a “displacement detection sensor using an optical interferometer”, and the like are known.

【0005】この変位検出センサーを用いたSPM測定
は、次のように行われる。探針部が試料の測定領域をX
Y方向に走査し、この測定領域におけるレバー部の撓み
量は上述の変位検出センサーにより随時検出される。検
出された撓み量は、試料の表面凹凸、磁気力などの試料
情報として原子レベルの分解能で画像化され、モニタに
表示される。
[0005] SPM measurement using this displacement detection sensor is performed as follows. The probe section X
Scanning is performed in the Y direction, and the amount of deflection of the lever portion in this measurement area is detected as needed by the above-described displacement detection sensor. The detected amount of deflection is imaged with atomic-level resolution as sample information such as surface irregularities of the sample and magnetic force, and is displayed on a monitor.

【0006】このようなSPMに用いられるカンチレバ
ーは、Thomas R. AlbrechtとCalvinF. Quate「Atomic Re
solution Imaging of a Nonconductor by Atomic Force
Microscopy」(J. Appl. Pys. 62 (1987) 2599頁)に記載
されているように、半導体IC製造プロセスを応用して
作製されるSi02カンチレバーが提案されて以来、ミ
クロンオーダーの高精度で非常に再現性良く作製できる
とともに、バッチプロセスを用いることによりコスト的
にも優れているとの理由から、このIC製造プロセスを
応用して作製したものが主流となっている。
The cantilever used for such an SPM is described in Thomas R. Albrecht and Calvin F. Quate, "Atomic Re
solution Imaging of a Nonconductor by Atomic Force
Microscopy ”(J. Appl. Pys. 62 (1987), p. 2599), since the Si02 cantilever manufactured by applying the semiconductor IC manufacturing process was proposed, it has been highly accurate with micron order accuracy. Since ICs can be manufactured with high reproducibility and the cost is excellent by using a batch process, ICs manufactured using this IC manufacturing process are mainly used.

【0007】現在市販されているカンチレバーには、窒
化シリコン製のカンチレバーとシリコン製のカンチレバ
ーの2種類のタイプがある。窒化シリコン製のカンチレ
バーは、Tomas R. Albrechtらの「Microfabrication of
cantilever styli for the atomic force microscope」
(J. Vac. Sci. Technol. A8,3386(1990))に記載された
カンチレバーが主流であり、詳細な作製方法は米国特許
第5,399,232号に記載されており、これらは参照
により本明細書に組み込まれる。また、シリコン製のカ
ンチレバーは、O. Wolterらの「Micromachined silicon
sensors for scanning force microscopy」(J. Vac. Sc
i. Technol. B9,1353(1991))に記載されたカンチレバー
が主流であり、詳細な作製方法は米国特許第5,051,
379号に記載されており、これらは参照により本明細
書に組み込まれる。
At present, there are two types of cantilevers commercially available, a cantilever made of silicon nitride and a cantilever made of silicon. Silicon nitride cantilevers are described in Tomas R. Albrecht et al.'S "Microfabrication of
cantilever styli for the atomic force microscope ''
(J. Vac. Sci. Technol. A8, 3386 (1990)), the mainstream of which is described in US Pat. No. 5,399,232, which is hereby incorporated by reference. Incorporated herein. In addition, silicon cantilevers are available from O. Wolter et al.
sensors for scanning force microscopy "(J. Vac.
i. Technol. B9,1353 (1991)) is the mainstream, and the detailed manufacturing method is disclosed in US Pat. No. 5,051,
379, which are incorporated herein by reference.

【0008】加えて、カンチレバー自体に変位を検出す
る機能を設けた集積型AFMセンサーがM. Tortoneseら
により提案されている。この集積型AFMセンサーは、
例えば「Atomic force microscopy using a piezoresist
ive cantilever; Transducerand Sensor '91」やPCT
出願WO92/12398に記載されており、これらは
参照により本明細書に組み込まれる。
In addition, M. Tortonese et al. Have proposed an integrated AFM sensor provided with a function of detecting displacement in the cantilever itself. This integrated AFM sensor
For example, "Atomic force microscopy using a piezoresist
ive cantilever; Transducerand Sensor '91' and PCT
It is described in application WO 92/12398, which is incorporated herein by reference.

【0009】近年、カンチレバーをその固有振動数もし
くは近傍で振動させて、振幅や周波数の変化を検出して
測定を行うSPM測定が広く行われるようになってお
り、この手法は例えば、ACモードと呼ばれている。
In recent years, SPM measurement, in which a cantilever is vibrated at or near its natural frequency to detect a change in amplitude or frequency to perform measurement, has been widely performed. being called.

【0010】また、最近、SPMを用いて、1秒間に1
画面以上のラスター走査を行うような高速走査を行い、
生体試料などのミクロな動作を観察する試みが盛んにな
されている。さらに、高密度記録にSPM技術を利用し
ようとする試みもなされており、入出力の速度を速くす
るためにも、共振周波数の高いカンチレバー形状のプロ
ーブが求められている。このような高速走査SPMは生
物だけでなく、測定時間の短縮から、半導体などの微小
構造の検査装置として注目されつつある。
Recently, using SPM, one second per second
Perform high-speed scanning such as performing raster scanning over the screen,
Attempts have been made to observe microscopic movements of biological samples and the like. Further, attempts have been made to use SPM technology for high-density recording, and a cantilever-shaped probe having a high resonance frequency has been demanded in order to increase the input / output speed. Such high-speed scanning SPM is attracting attention as an inspection device for microstructures such as semiconductors because of the shortened measurement time as well as living organisms.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】前述の全てのカンチレ
バーにおいては、探針は一端が支持部に固定された片持
ち梁形状の板バネであるレバー部の自由端に設けられて
おり、レバー部の自由端の撓み量を探針の変位に準じる
ものとして検出している。このため、実際に試料表面を
なぞっている探針先端の変位変化を正確に検出している
とは言えない。現在のSPM測定においては、レバー部
の撓み量を一定に保った状態で、試料表面上をXY方向
に走査して測定を行うサーボ測定が主流である。このこ
とから、サーボ測定であれば、探針先端の変位変化を検
出しようが、レバー部の撓み量を検出しようが画像化さ
れた試料表面の凹凸像のスケールに変化は起きないと考
えられている。しかしながら、試料表面の凹凸に対して
レバー部の撓み量を一定に保つサーボには、常にタイム
ラグが生じており、このことから探針の引きずりとして
画像に影響を及ぼしている。
In all the above-mentioned cantilevers, the probe is provided at the free end of a lever portion which is a cantilever-shaped leaf spring having one end fixed to a support portion. Is detected as equivalent to the displacement of the probe. For this reason, it cannot be said that the displacement change of the tip of the probe actually tracing the sample surface is accurately detected. In the current SPM measurement, a servo measurement in which the measurement is performed by scanning the surface of the sample in the X and Y directions while keeping the amount of deflection of the lever portion constant is mainly used. From this, it can be considered that in servo measurement, whether the displacement of the tip of the probe is detected or the amount of deflection of the lever is detected, no change occurs in the scale of the image of the concavo-convex image of the sample surface. I have. However, there is always a time lag in the servo that keeps the amount of deflection of the lever portion constant with respect to the unevenness of the sample surface, and this causes a drag of the probe to affect the image.

【0012】また、1秒間に1画面以上のラスター走査
を行うような高速走査を行うSPM測定等においては、
高速にカンチレバーを走査するため、現在のサーボでは
変位検出が間に合わず、カンチレバーの撓み量を直接画
像化するコンスタントハイト測定が主流である。このコ
ンスタントハイト測定においては、探針の引きずりが直
接画像化される。加えて、探針部の変位ではなく、レバ
ー部の撓み量を検出していることから、正確な高さ情報
が得られず、実際の試料表面と異なる高さスケールで画
像化されると言う不具合が生じている。
Further, in SPM measurement or the like for performing high-speed scanning such as raster scanning of one screen or more per second,
In order to scan the cantilever at high speed, displacement detection cannot be performed in time with the current servo, and constant height measurement for directly imaging the amount of deflection of the cantilever is mainly used. In the constant height measurement, the drag of the probe is directly imaged. In addition, since the amount of deflection of the lever is detected instead of the displacement of the probe, accurate height information cannot be obtained, and an image is formed on a different height scale from the actual sample surface. A problem has occurred.

【0013】加えて、近年トレンチ溝やコンタクトホー
ルやダマシン等アスペクト比の高い微小な穴の底部を正
確に測定する事が望まれている。この為、アスペクト比
の高い探針が幾つか開発され、アスペクト比の高い微小
な穴のAFM測定を試みている。しかしながら、探針先
端部が細く成りすぎているため、AFM測定中に探針の
先端部が湾曲し、正確なAFM像が画像化出来ないと言
う問題が生じている。加えて、探針先端部が細いことに
より、AFM測定中の大きな段差に対するサーボの追従
が十分でなく探針先端部を破損しやすいと言う不具合が
生じている。
In addition, in recent years, it has been desired to accurately measure the bottom of a fine hole having a high aspect ratio, such as a trench, a contact hole, or a damascene. For this reason, several probes having a high aspect ratio have been developed, and AFM measurement of a fine hole having a high aspect ratio has been attempted. However, since the tip of the probe is too thin, the tip of the probe is curved during the AFM measurement, causing a problem that an accurate AFM image cannot be imaged. In addition, since the tip of the probe is thin, there is a problem that the servo cannot sufficiently follow a large step during the AFM measurement and the tip of the probe is easily damaged.

【0014】このような問題を考慮すると、特開平1−
15602号や特開平5−231815号のような両持
ち梁形状のカンチレバーが考えられる。しかしながら、
従来の両持ち梁では、その構造や形態により実際のSP
M測定において普及しなかった。例えば、特開平1−1
5602号に示すような両持ち梁では、カンチレバーの
支持部が測定サンプル側にあり、カンチレバーの交換は
カンチレバーのみとなり、測定者によるカンチレバー交
換の作業性が現在主流の半導体プロセスを応用したカン
チレバーより悪かった。また、カンチレバー自体も大き
いため、共振周波数が低く、現在主流であるカンチレバ
ーを振動させるSPM測定には不向きである。加えて、
半導体プロセスでの作製が困難であるため、同じ特性を
持つカンチレバーの作製が困難であった。また、特開平
5−231815号のカンチレバーは半導体プロセスを
応用して作られているが、支持部の真下にカンチレバー
と探針が配置されており、片持ち梁のカンチレバーのよ
うに測定する部分の試料表面を光学顕微鏡等で観察する
ことは不可能であり、測定したい箇所とカンチレバーの
位置合わせが困難であった。加えて探針側の支持部の面
がほぼ探針の高さ分しかなく、試料表面と支持部との接
触のため探針が試料表面に接触もしくは近傍に配置でき
ず、SPM測定が行えない等の問題が頻繁に起きてい
た。また、双方のカンチレバーともバネ定数が高く、試
料を傷つけずに表面を観察するSPMには不向きであっ
た。
In consideration of such a problem, Japanese Patent Laid-Open No.
A cantilever having a doubly supported beam shape such as that disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 15602 and Japanese Patent Laid-Open No. 5-231815 is conceivable. However,
In a conventional doubly supported beam, the actual SP
It did not spread in M measurements. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-1
In the double-supported beam as shown in No. 5602, the support portion of the cantilever is on the measurement sample side, the cantilever is replaced only by the cantilever, and the workability of the cantilever replacement by the measurer is lower than that of the cantilever using the currently mainstream semiconductor process. Was. In addition, since the cantilever itself is large, the resonance frequency is low, which is not suitable for SPM measurement that vibrates the mainstream cantilever at present. in addition,
Since it is difficult to fabricate in a semiconductor process, it is difficult to fabricate cantilevers having the same characteristics. The cantilever disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 5-231815 is manufactured by applying a semiconductor process. However, a cantilever and a probe are arranged directly below a support portion, and a portion for measurement such as a cantilever of a cantilever is used. It was impossible to observe the sample surface with an optical microscope or the like, and it was difficult to align the position to be measured with the cantilever. In addition, the surface of the support portion on the probe side is almost the height of the probe, and the probe cannot be placed in contact with or near the sample surface due to the contact between the sample surface and the support portion, and SPM measurement cannot be performed. And other problems occurred frequently. Further, both cantilevers had high spring constants, and were not suitable for SPM for observing the surface without damaging the sample.

【0015】本発明は、このような事情を鑑みて成され
たものであり、その目的は、探針先端の変位変化を直接
検出することを可能にするカンチレバーを提供すること
である。
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a cantilever capable of directly detecting a change in displacement of a probe tip.

【0016】加えて、本発明は、従来の両持ち梁形状の
カンチレバーが抱えている問題点を解消されたものであ
り、その目的は、カンチレバーを振動させてSPM測定
を行ういわゆるACモード測定において、探針先端を試
料表面に対して垂直に振動することを可能にするカンチ
レバーを提供することである。
In addition, the present invention has solved the problem of the conventional cantilever having a doubly-supported beam shape. The object of the present invention is to provide so-called AC mode measurement in which the cantilever is vibrated to perform SPM measurement. Another object of the present invention is to provide a cantilever that allows the tip of the probe to vibrate perpendicularly to the sample surface.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】探針部と両持ち梁形状の
レバー部と支持部を有する走査型プローブ顕微鏡用カン
チレバーにおいて、その支持部がレバー部と探針を含む
面のほぼ片側に設けられている事を特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In a cantilever for a scanning probe microscope having a probe portion, a doubly supported lever portion and a support portion, the support portion is provided on substantially one side of a surface including the lever portion and the probe. It is characterized by being done.

【0018】加えて、探針部と両持ち梁形状のレバー部
と支持部を有する走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー
において、探針部の真裏に変位を検出する為の平面(反
射面)が設けられていることがより好ましい。
In addition, in a cantilever for a scanning probe microscope having a probe part, a lever part of a doubly supported shape, and a support part, a flat surface (reflection surface) for detecting displacement is provided directly behind the probe part. Is more preferable.

【0019】一方で、上記の走査型プローブ顕微鏡用カ
ンチレバーは、探針部の変位量を歪み抵抗により検出す
ると、より好ましい。
On the other hand, in the above-mentioned cantilever for a scanning probe microscope, it is more preferable that the amount of displacement of the probe portion is detected by strain resistance.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0021】図1〜図9は、本発明の走査型プローブ顕
微鏡(SPM)用カンチレバーの作製方法を概略的に示し
ている。
1 to 9 schematically show a method of manufacturing a cantilever for a scanning probe microscope (SPM) of the present invention.

【0022】まず、図1に示すように、いわゆる貼り合
わせSOI(Silicon On Insulator)基板108を用意す
る。この貼り合わせSOI基板108は、面方位(10
0)の単結晶シリコンからなる第1のシリコン基板10
2の表面に中間酸化シリコン膜104を形成した後、活
性層となる面方位(100)の単結晶シリコンからなる第
2のシリコン基板106を貼り合わせて作製される。例
えば、第1のシリコン基板102の厚さは500μm、
中間酸化シリコン膜104の厚さは1μm、第2のシリ
コン基板106の厚さは5μmである。
First, as shown in FIG. 1, a so-called bonded SOI (Silicon On Insulator) substrate 108 is prepared. This bonded SOI substrate 108 has a plane orientation (10
0) First silicon substrate 10 made of single crystal silicon
After forming the intermediate silicon oxide film 104 on the surface of No. 2, a second silicon substrate 106 made of single crystal silicon having a plane orientation of (100) to be an active layer is bonded. For example, the thickness of the first silicon substrate 102 is 500 μm,
The thickness of the intermediate silicon oxide film 104 is 1 μm, and the thickness of the second silicon substrate 106 is 5 μm.

【0023】次に、図2に示すように、第1のシリコン
基板102の裏面に、後述する第2の支持部を形成する
際のエッチングマスク110を、酸化シリコン膜または
窒化シリコン膜などをパターニングして形成する。一
方、第2のシリコン基板106の表面に窒化シリコン膜
112を形成する。
Next, as shown in FIG. 2, an etching mask 110 for forming a second support portion, which will be described later, is formed on the back surface of the first silicon substrate 102 by patterning a silicon oxide film or a silicon nitride film. Formed. On the other hand, a silicon nitride film 112 is formed on the surface of the second silicon substrate 106.

【0024】図3に示すように、フォトリソグラフィ及
びドライエッチング処理により、窒化シリコン膜112
と第2のシリコン基板(活性層)106を、SOI基板1
08の中間酸化シリコン膜104が露出するまで選択的
に除去して、第1の支持部114と、レバー部の母体で
あるレバーべース部120と、探針部の母体である探針
形成部122を形成する。
As shown in FIG. 3, a silicon nitride film 112 is formed by photolithography and dry etching.
And the second silicon substrate (active layer) 106 with the SOI substrate 1
08, the intermediate silicon oxide film 104 is selectively removed until it is exposed to form a first support portion 114, a lever base portion 120 that is a base of the lever portion, and a probe that is a base of the probe portion. The part 122 is formed.

【0025】第1の支持部114は2つに分割されてお
り、探針形成部122が第1の支持部114を分割して
いる溝の延長線上に設けられている。レバーべース部1
20は分割された第1の支持部114からそれぞれ探針
形成部122に向かって延出しており、探針形成部12
2を中心に両持ち梁の原型を形成している。探針形成部
122の反対に位置するレバーべース部120の面11
8は、第1の支持部114を分割している溝に対して正
対している。
The first support part 114 is divided into two parts, and the probe forming part 122 is provided on an extension of the groove dividing the first support part 114. Lever base part 1
Numerals 20 extend from the divided first support portions 114 toward the probe forming portions 122, respectively.
2 forms the prototype of the doubly supported beam. Surface 11 of lever base portion 120 opposite to probe forming portion 122
8 faces the groove dividing the first support portion 114.

【0026】レバーべース部120の幅(横寸法)はフォ
トリソグラフィのパターン形成で決まり、例えば2μm
である。また、レバーべース部120の形状は、完成後
の探針の変位方向を考慮して形成しており、例えば、第
1の支持部114のレバーべース120側の端面に対し
て45°で延出している。
The width (lateral dimension) of the lever base portion 120 is determined by the pattern formation of photolithography, and is, for example, 2 μm.
It is. The shape of the lever base portion 120 is formed in consideration of the displacement direction of the probe after completion, and is, for example, 45 degrees with respect to the end surface of the first support portion 114 on the lever base 120 side. ° extends.

【0027】レバーベース部120と探針形成部122
の連結部付近の拡大図を図10に示す。図10に示すよ
うに、探針形成部122のエッチング面124は、<1
10>方向から傾けて、例えば45°傾けて形成してい
る。また、探針形成部122のエッチング面126の<
110>方向からの傾きは、探針部の高さ(言い換えれば
アスペクト比)を決定し、例えば、10μmの高さの探
針部の形成する場合には、約70°が選ばれる。
Lever base section 120 and probe forming section 122
FIG. 10 shows an enlarged view of the vicinity of the connecting portion. As shown in FIG. 10, the etching surface 124 of the probe forming portion 122
It is inclined from the 10> direction, for example, 45 °. Further, the etching surface 126 of the probe forming portion 122
The inclination from the 110> direction determines the height of the probe portion (in other words, the aspect ratio). For example, when a probe portion having a height of 10 μm is formed, approximately 70 ° is selected.

【0028】次に、図4に示すように、第1の支持部1
14とレバーべース部120と探針形成部122が形成
された第2のシリコン基板106の側端面に、酸化シリ
コン膜の壁128を熱拡散炉により形成する。
Next, as shown in FIG.
A wall 128 of a silicon oxide film is formed by a thermal diffusion furnace on the side end surface of the second silicon substrate 106 on which the 14, the lever base 120, and the probe forming part 122 are formed.

【0029】図5に示すように、探針形成部122の表
面部分の窒化シリコン膜112を除去してシリコン10
6を露出させる。残った窒化シリコン膜112の探針形
成部122付近の拡大図を図11に示す。図11に示す
ように、窒化シリコン膜112の探針形成部122側の
端部280,282は<110>方向に平行もしくは垂直
に形成されている。
As shown in FIG. 5, the silicon nitride film 112 on the surface of the probe
Expose 6. FIG. 11 is an enlarged view of the vicinity of the probe forming portion 122 of the remaining silicon nitride film 112. As shown in FIG. 11, the ends 280 and 282 of the silicon nitride film 112 on the probe forming portion 122 side are formed parallel or perpendicular to the <110> direction.

【0030】図6に示すように、探針形成部122の第
2のシリコン基板106を中間酸化シリコン膜104が
露出するまで湿式異方性エッチング処理して、カンチレ
バーの探針部に近い形状の三角錐形状の探針べース部1
30を形成する。この湿式異方性エッチングでは、所定
の濃度の水酸化カリウム水溶液(KOH)、テトラメチル
アンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)、エチレン
ジアミン・ピロカテコール・アンド・ウォータ(EDPもし
くはEPWと呼ばれる)などが用いられる。
As shown in FIG. 6, the second silicon substrate 106 of the probe forming portion 122 is subjected to wet anisotropic etching until the intermediate silicon oxide film 104 is exposed, so that the second silicon substrate 106 has a shape close to the probe portion of the cantilever. Triangular pyramid shaped probe base 1
Form 30. In this wet anisotropic etching, an aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) having a predetermined concentration, tetramethylammonium hydroxide (TMAH), ethylenediamine pyrocatechol and water (called EDP or EPW) or the like is used.

【0031】第2のシリコン基板のような単結晶シリコ
ンの湿式異方性エッチング処理では、シリコン基板の
(100)面に比べて(111)面の方がエッチングされ難
いので、湿式異方性エッチング処理により、レバーべー
ス部120に残存する窒化シリコン膜112の端部28
0,282から単結晶シリコンが(111)面を露出する
ようにエッチングされる。
In the wet anisotropic etching of single crystal silicon such as the second silicon substrate, the silicon substrate
Since the (111) plane is more difficult to be etched than the (100) plane, the end portion 28 of the silicon nitride film 112 remaining in the lever base portion 120 is wet-etched.
Single crystal silicon is etched from 0,282 so as to expose the (111) plane.

【0032】探針べース部130周辺の拡大図を図12
に示す。図12に示すように、窒化シリコン膜112の
端部282から露出した(111)面と中間酸化シリコン
膜104の(100)面とエッチング面126側の酸化シ
リコン膜の壁128の3つの側面を有する三角錐形状の
単結晶シリコンが探針べース部130となる。この探針
べース部130は、後に酸化の工程を踏んで探針部とな
る。
FIG. 12 is an enlarged view of the vicinity of the probe base 130.
Shown in As shown in FIG. 12, three sides of the (111) plane exposed from the end 282 of the silicon nitride film 112, the (100) plane of the intermediate silicon oxide film 104, and the wall 128 of the silicon oxide film on the etching surface 126 side are formed. The triangular pyramid-shaped single crystal silicon becomes the probe base 130. The probe base 130 becomes a probe after an oxidation step.

【0033】また、窒化シリコン膜112の端部280
から露出した(111)面を有する残存シリコンも、中間
酸化シリコン膜104の(100)面とエッチング面12
4側の酸化シリコン膜の壁128に囲まれた面から三角
錐形状を構成するが、この三角錐の突起284は、レバ
ーべース部120に対して平行に突出しているため、後
の測定上何ら問題はない。
The end portion 280 of the silicon nitride film 112
Residual silicon having a (111) plane exposed from the substrate is also formed on the (100) plane of the intermediate silicon oxide film 104 and the etched surface 12.
The triangular pyramid shape is formed from the surface surrounded by the silicon oxide film wall 128 on the fourth side. Since the triangular pyramid projections 284 protrude in parallel with the lever base portion 120, the subsequent measurement is performed. There is no problem above.

【0034】次に、図7に示すように、三角錐形状の探
針べース部130及びレバーべース部120の表面に酸
化シリコン膜132を熱拡散炉により形成する。図7で
は、前の工程の酸化シリコンの壁128を除去して酸化
シリコン膜132を形成しているが、酸化シリコンの壁
128を除去せずに酸化シリコン膜132を形成しても
よい。
Next, as shown in FIG. 7, a silicon oxide film 132 is formed on the surfaces of the probe base 130 and the lever base 120 having a triangular pyramid shape by a thermal diffusion furnace. In FIG. 7, the silicon oxide film 132 is formed by removing the silicon oxide wall 128 in the previous step; however, the silicon oxide film 132 may be formed without removing the silicon oxide wall 128.

【0035】図8に示すように、第1のシリコン基板1
02を裏面から湿式異方性エッチング処理して第2の支
持部136を形成する。
As shown in FIG. 8, the first silicon substrate 1
The second support portion 136 is formed by performing a wet anisotropic etching process on 02 from the back surface.

【0036】最後に、図9に示すように、熱リン酸水溶
液やフッ化水素水溶液などにより第1の支持部114と
第2の支持部136の間に挟まれた中間酸化シリコン膜
104を除く酸化シリコン膜と窒化シリコン膜を全て除
去して、完成品であるカンチレバー142が得られる。
Finally, as shown in FIG. 9, the intermediate silicon oxide film 104 sandwiched between the first support portion 114 and the second support portion 136 by a hot phosphoric acid aqueous solution, a hydrogen fluoride aqueous solution or the like is removed. By removing all the silicon oxide film and the silicon nitride film, a cantilever 142 as a finished product is obtained.

【0037】このカンチレバー142は、レバー部14
0が第1の支持部114より斜めに延出した両持ち梁形
状であり、その中央に探針部138が形成されている。
図13に示すように、探針部138は三角錐形状の先端
部を有しており、先端部を規定する3つの面のうちの2
つはシリコンの(111)面と(100)面であり、残る1
つの面144は人為的な加工により形成される。
The cantilever 142 has a lever portion 14
Numeral 0 denotes a doubly supported beam extending obliquely from the first support portion 114, and a probe portion 138 is formed at the center thereof.
As shown in FIG. 13, the probe portion 138 has a triangular pyramid-shaped tip portion, and two out of three surfaces defining the tip portion.
One is the (111) plane and (100) plane of silicon, and the remaining 1
One surface 144 is formed by artificial processing.

【0038】上述した作製方法では、カンチレバーのレ
バー部の幅の設計値と貼り合わせSOI基板108の第
2のシリコン基板106の厚さがほぼ等しいとして、第
2のシリコン基板106表面に窒化シリコン膜112を
形成しているが、第2のシリコン基板106の厚さがレ
バー部の幅の設計値よりも大きい場合には、図2の窒化
シリコン膜112を形成する前にレバーべース部から探
針形成部を形成する部分をエッチング処理して厚さを調
整する。このとき、エッチング方法は乾式でも湿式でも
構わないが、後の工程を考えて、表面あれを少なくする
ため、湿式エッチングが好ましい。また、後の第1の支
持部114の剛性を考えた場合は、レバー部とのつなが
りに(111)面を形成する様に湿式異方性エッチングで
厚さ調整を行ってもよい。
In the above-described manufacturing method, assuming that the design value of the width of the lever portion of the cantilever and the thickness of the second silicon substrate 106 of the bonded SOI substrate 108 are substantially equal, a silicon nitride film is formed on the surface of the second silicon substrate 106. Although the second silicon substrate 106 is formed, when the thickness of the second silicon substrate 106 is larger than the design value of the width of the lever portion, before the silicon nitride film 112 of FIG. The thickness of the portion forming the probe forming portion is adjusted by etching. At this time, the etching method may be either a dry method or a wet method. However, in consideration of a later step, wet etching is preferable in order to reduce surface roughness. In consideration of the rigidity of the first support portion 114 later, the thickness may be adjusted by wet anisotropic etching so that the (111) plane is formed in connection with the lever portion.

【0039】本実施形態の作製方法により作製されたカ
ンチレバー142は、図9に示すように、両持ち梁形状
の単結晶シリコン製のレバー部140を有し、このレバ
ー部140の中央に略三角錐形状の探針部138が形成
されている。レバー部140は第1の支持部114に支
持され、第1の支持部114は酸化シリコン膜104を
介して第2の支持部136に支持されている。また、探
針部138と反対側のレバー部140の面286は第1
の支持部側に正対しており、その面286の法線方向に
は溝が形成されている。
As shown in FIG. 9, the cantilever 142 manufactured by the manufacturing method of the present embodiment has a lever portion 140 made of single-crystal silicon having a doubly-supported beam shape. A conical probe portion 138 is formed. The lever 140 is supported by the first support 114, and the first support 114 is supported by the second support 136 via the silicon oxide film 104. The surface 286 of the lever 140 opposite to the probe 138 is the first surface 286.
And a groove is formed in the normal direction of the surface 286.

【0040】本実施形態のカンチレバーは図14に示す
ように、試料表面にほぼ垂直に立てて測定を行う。試料
表面の凹凸の変化に伴う探針部138の変位の変化はそ
のまま、レバー部140の面286の上下運動に移行さ
れる。このとき、第1の支持部114の溝を通して光学
変位センサーの光をレバー部140の面286に照射し
て、その変位を検出する。また、第2の支持部136の
第1の支持部114側の面286に一度反射させてから
レバー部140の面290に照射して、その変位を検出
してもよい。光学変位センサーとしては、光ファイバー
を用いた干渉型の変位センサー等を用いる。
As shown in FIG. 14, the cantilever of the present embodiment stands up almost perpendicular to the surface of the sample for measurement. The change in the displacement of the probe part 138 due to the change in the unevenness of the sample surface is directly transferred to the vertical movement of the surface 286 of the lever part 140. At this time, the light of the optical displacement sensor is applied to the surface 286 of the lever portion 140 through the groove of the first support portion 114 to detect the displacement. Alternatively, the displacement may be detected by once reflecting off the surface 286 of the second support portion 136 on the first support portion 114 side and then irradiating the surface 290 of the lever portion 140. As the optical displacement sensor, an interference type displacement sensor using an optical fiber is used.

【0041】ここで、本実施形態のカンチレバーは両持
ち梁形状であるため、探針部138の変位がそのままレ
バー部140の面286の変位となり、試料表面の正確
な情報を上方に配置した変位センサーに伝えられる。
Here, since the cantilever of this embodiment has a doubly supported beam shape, the displacement of the probe 138 becomes the displacement of the surface 286 of the lever 140 as it is, and the accurate information of the sample surface is displaced upward. Conveyed to the sensor.

【0042】このとき、本実施形態のカンチレバーは図
9に示すように、カンチレバーを支持する支持部は、レ
バー部と探針を含む面のほぼ片側にしか存在せず、しか
も、支持部がカンチレバーに向かって薄くなっているた
め、探針以外の部分が試料表面に接触し難い構造になっ
ている。また、本実施形態のカンチレバーを図14に示
すように試料表面上に配置すると、第2の支持部の第1
の支持部側、つまり、カンチレバーが設けてある側に遮
蔽物が存在しないので、この空間を利用して、例えば、
探針と試料表面の斜め上方に光学顕微鏡等の対物レンズ
を配置し、これにより観察しながら探針先端と試料表面
の位置合わせを行う。
At this time, in the cantilever of this embodiment, as shown in FIG. 9, the supporting portion for supporting the cantilever is present only on almost one side of the surface including the lever portion and the probe, and the supporting portion is provided with the cantilever. Since the thickness becomes thinner toward the sample, the portion other than the probe is hardly in contact with the sample surface. Further, when the cantilever of the present embodiment is arranged on the sample surface as shown in FIG.
Since there is no shielding on the supporting portion side, that is, on the side where the cantilever is provided, using this space, for example,
An objective lens such as an optical microscope is disposed obliquely above the probe and the sample surface, and the tip of the probe and the sample surface are aligned while observing.

【0043】以上より、本実施形態のカンチレバーによ
れば、支持部の片側にレバー部と探針を含む両持ち梁形
状のカンチレバーを設けているため、測定に不必要な探
針の先端部以外の部分の試料表面への接触が容易に回避
でき、加えて、探針先端と測定する試料表面の位置が容
易に観察できるため、両持ち梁形状のカンチレバーの利
点である試料表面の正確な凹凸情報の取得が短時間で容
易に得ることを可能にする。
As described above, according to the cantilever of this embodiment, since the cantilever having a double-supported beam shape including the lever portion and the probe is provided on one side of the support portion, the cantilever other than the tip portion of the probe which is unnecessary for measurement is provided. Can easily avoid contact with the surface of the sample, and the position of the probe tip and the surface of the sample to be measured can be easily observed. It is possible to easily obtain information in a short time.

【0044】加えて、本実施形態のカンチレバーによれ
ば、光学変位センサーで検出する部位は、探針の真裏に
形成された面であるので、探針の変位変化が直接光学変
位センサーで検出する探針真裏の反射面の変位変化とな
るため、試料表面の正確な凹凸情報を得ることが可能に
なる。
In addition, according to the cantilever of the present embodiment, since the portion detected by the optical displacement sensor is the surface formed directly behind the probe, the change in the displacement of the probe is directly detected by the optical displacement sensor. Since the displacement of the reflection surface directly behind the probe changes, it is possible to obtain accurate information on the unevenness of the sample surface.

【0045】加えて、本実施形態のカンチレバーによれ
ば、XY走査したときの探針の引きずりの影響も少なく
なる。
In addition, according to the cantilever of this embodiment, the influence of the drag of the probe at the time of XY scanning is reduced.

【0046】また、本実施形態のカンチレバーによれ
ば、カンチレバーを共振させて測定を行うACモードに
おいても、両持ち梁形状であるため、探針が上下に振動
するだけであることから、振動による探針先端位置のぶ
れがなく、正確なAFM測定が可能になる。
Further, according to the cantilever of the present embodiment, even in the AC mode in which the cantilever is resonated for measurement, the probe only vibrates up and down because of the double-supported beam shape. Accurate AFM measurement is possible without deviation of the probe tip position.

【0047】加えて、本実施形態のカンチレバーにおい
ては、カンチレバーのバネ定数は第1の支持部114か
ら斜めに延出した部分のレバー部140で決定される。
このため、図15に示すように、斜めに延出した部分を
重ねたようなレバー部の形状にして、バネ定数の低減を
図ってもよい。図15においては、斜めのレバー部を2
つ重ねているが、より多くのレバー部を重ねてもよく、
この数の設定は設計者の意図によって選択される。
In addition, in the cantilever of the present embodiment, the spring constant of the cantilever is determined by the lever portion 140 which extends obliquely from the first support portion 114.
For this reason, as shown in FIG. 15, the spring constant may be reduced by forming the lever portion into a shape in which obliquely extending portions are overlapped. In FIG. 15, the diagonal lever part is
Although it overlaps, more lever parts may be overlapped,
The setting of this number is selected according to the designer's intention.

【0048】また、本実施形態のカンチレバーによれ
ば、レバー部140の第1の支持部114からの延出角
を45°としたが、この角度は任意に選択ができ、例え
ば、本実施形態のバネ定数より柔らかくするためには、
この角度を45°よりも小さく設定すればよい。
Further, according to the cantilever of the present embodiment, the extension angle of the lever portion 140 from the first support portion 114 is set to 45 °, but this angle can be arbitrarily selected. To make it softer than the spring constant of
This angle may be set smaller than 45 °.

【0049】例えば、図36に示すように角度を0°に
しても良い。尚、このカンチレバーの場合も、本実施形
態の最終工程のシリコン酸化膜除去により、カンチレバ
ー部分の第2の支持部136との間の中間酸化膜104
も除去されるため、探針の変位方向、つまり探針の上下
運動を妨げることはない。
For example, the angle may be set to 0 ° as shown in FIG. Also in the case of this cantilever, the intermediate oxide film 104 between the cantilever portion and the second support portion 136 is removed by removing the silicon oxide film in the final step of this embodiment.
Therefore, the displacement direction of the probe, that is, the vertical movement of the probe is not hindered.

【0050】また、このカンチレバーの特性は、例え
ば、カンチレバーの長さが100μm、幅が5μm、厚
さが0.4μmで共振周波数が約2MHz、バネ定数が
1N/m以下にであるが、上述の実施形態と同様に、そ
の形状は測定サンプルや測定方法により任意に変更でき
る。
The characteristics of the cantilever include, for example, a length of 100 μm, a width of 5 μm, a thickness of 0.4 μm, a resonance frequency of about 2 MHz, and a spring constant of 1 N / m or less. Similarly to the embodiment, the shape can be arbitrarily changed depending on a measurement sample or a measurement method.

【0051】加えて、上述した作製方法によれば、レバ
ー部の厚さが図3のフォトリソグラフィとドライエッチ
ングと図4及び図7の酸化により容易に薄く作製するこ
とができ、測定試料の時間変化などを観察する際に利用
される高速走査を行うSPM測定に好適なカンチレバー
が容易に作製できる。
In addition, according to the manufacturing method described above, the thickness of the lever portion can be easily reduced by the photolithography of FIG. 3, dry etching, and oxidation of FIGS. A cantilever suitable for SPM measurement for high-speed scanning used for observing a change or the like can be easily manufactured.

【0052】また、本実施形態の作製方法により作製さ
れるカンチレバー142では、図13に示すように、探
針部138は三角錐形状の先端部を有しており、先端部
を規定する3つの面のうちの2つはシリコンの(111)
面と(100)面であり、残る1つの面144は人為的な
加工により形成される。従って、探針部138の先端の
曲率半径は、支持部側の面144を形成する工程に起因
する。この面144は、図3の工程で形成される探針形
成部122のエッチング面126によって定められる。
Further, in the cantilever 142 manufactured by the manufacturing method of the present embodiment, as shown in FIG. 13, the probe portion 138 has a triangular pyramid-shaped tip, and three tips defining the tip are provided. Two of the faces are silicon (111)
The surface and the (100) surface, and the remaining one surface 144 is formed by artificial processing. Therefore, the radius of curvature of the tip of the probe part 138 is caused by the step of forming the surface 144 on the support part side. This surface 144 is defined by the etching surface 126 of the probe forming part 122 formed in the step of FIG.

【0053】図10に示すように、図3の工程で形成さ
れる探針形成部122のエッチング面126は、平面
で、フォトリソグラフィとドライエッチングで形成され
ている。従って、ドライエッチングで生じるエッチング
面126の面あれが、探針部138の先端の曲率半径を
決定する。
As shown in FIG. 10, the etching surface 126 of the probe forming portion 122 formed in the step of FIG. 3 is a flat surface formed by photolithography and dry etching. Therefore, the roughness of the etching surface 126 generated by the dry etching determines the radius of curvature of the tip of the probe 138.

【0054】一般にドライエッチングによる面あれは1
0nm以下であるので、図12に示すように、シリコン
の(111)面を露出させて探針べース部130を形成し
た時点で、探針べース部130の先端の曲率半径は既に
10nm以下である。従って、後の酸化の工程を経て形
成される探針部138の曲率半径は10nm以下に安定
して尖る。
Generally, the surface roughness by dry etching is 1
Since it is 0 nm or less, as shown in FIG. 12, when the (111) plane of silicon is exposed to form the probe base 130, the radius of curvature of the tip of the probe base 130 is already It is 10 nm or less. Therefore, the radius of curvature of the probe 138 formed through the subsequent oxidation step is stably sharpened to 10 nm or less.

【0055】また、探針部138のアスペクト比は、図
10に示すように、<110>を含み(100)面に直交す
る面(これは後に形成される探針部138と反対側の面
286に平行である)に対する探針形成部122のエッ
チング面126の傾きθで決まる。<110>を含み(1
00)面に直交する面に対するエッチング面126の傾
きθは、カンチレバーの製作者が任意に選べる設計上の
パラメータである。
As shown in FIG. 10, the aspect ratio of the probe portion 138 includes a surface including <110> and perpendicular to the (100) plane (this is a surface opposite to the later formed probe portion 138). (Parallel to 286) is determined by the inclination θ of the etching surface 126 of the probe forming portion 122. Including <110> (1
The inclination θ of the etched surface 126 with respect to the plane orthogonal to the (00) plane is a design parameter that can be arbitrarily selected by the maker of the cantilever.

【0056】従って、上述した実施の形態では、θ=7
0°を選び、頂角が20°の探針部138を形成した
が、さらにさらに大きい値をθに選ぶことにより、さら
に高いアスペクト比を持つ探針部を形成することもでき
る。
Therefore, in the above-described embodiment, θ = 7
Although the probe portion 138 having an apex angle of 20 ° is formed by selecting 0 °, a probe portion having a higher aspect ratio can be formed by selecting an even larger value for θ.

【0057】さらに、図7の工程において、探針べース
部130を酸化する熱拡散炉などで酸化しているが、こ
のときの温度を900乃至1000℃、好ましくは95
0℃と、通常の半導体プロセスで酸化シリコン膜を形成
するときより低い温度に設定することにより、図16に
示されるような、より尖った探針部138を形成するこ
とができる。これは、酸化シリコン膜の成長スピード
が、探針部138の先端近傍で遅くなるためであり、そ
の結果、酸化されないシリコン部分つまり最終的に探針
部になる部分は先端に向かって尖鋭化され、先端の曲率
半径は数nm以下になる。
Further, in the step of FIG. 7, the probe base portion 130 is oxidized by a heat diffusion furnace or the like, which oxidizes the probe base portion 130. The temperature at this time is 900 to 1000 ° C., preferably 95 ° C.
By setting the temperature to 0 ° C., which is lower than the temperature at which a silicon oxide film is formed by a normal semiconductor process, a sharper probe portion 138 as shown in FIG. 16 can be formed. This is because the growth speed of the silicon oxide film becomes slow in the vicinity of the tip of the probe portion 138. As a result, the silicon portion that is not oxidized, that is, the portion that eventually becomes the probe portion is sharpened toward the tip. , The radius of curvature of the tip becomes several nm or less.

【0058】また、本実施形態の作製方法により作製さ
れるカンチレバー142では、図13に示すように、レ
バー部140の面286と平行な方向に突出する三角錐
形状の突起284も探針部138と同時に形成される。
前述の作製方法のなかでは、図10に示すように、<1
10>に対するエッチング面124の傾きαを便宜的に
45°と設定したが、探針部138を用いたSPM測定
に邪魔にならない角度であればよく、本実施形態の設定
角に限るものではない。
Further, in the cantilever 142 manufactured by the manufacturing method of the present embodiment, as shown in FIG. 13, a triangular pyramid-shaped projection 284 protruding in a direction parallel to the surface 286 of the lever part 140 also has a probe part 138. Formed at the same time.
Among the above-described manufacturing methods, as shown in FIG.
Although the inclination α of the etching surface 124 with respect to 10> is set to 45 ° for convenience, an angle which does not hinder SPM measurement using the probe 138 is sufficient, and is not limited to the set angle of the present embodiment. .

【0059】また、図17に示すように、窒化シリコン
膜112の端部280をずらすことで、エッチング面1
24をV字状に折れ曲がった面とすることにより、図1
8に示すように、突起284の長さを短くしてもよい。
As shown in FIG. 17, by shifting the end 280 of the silicon nitride film 112, the etching surface 1
By making V 24 a surface bent in a V shape, FIG.
As shown in FIG. 8, the length of the protrusion 284 may be shortened.

【0060】加えて、本実施形態の作製方法において
は、探針部138を構成する(111)面をきれいに形成
するため、突起284を形成するようなパターニングを
行ったが、探針部138に影響を及ぼさない限りにおい
て、図11に示す探針べース部130作製時のマスクの
エッジ280の部分の形状を変更することにより、突起
以外の形状を形成してもよい。
In addition, in the manufacturing method of the present embodiment, patterning for forming the protrusion 284 is performed in order to form the (111) plane constituting the probe portion 138 neatly. As long as there is no influence, the shape other than the protrusion may be formed by changing the shape of the edge 280 of the mask when the probe base portion 130 shown in FIG. 11 is manufactured.

【0061】また、本実施形態の作製方法により作製さ
れるカンチレバー142では、図13に示すように、探
針部138を支持するレバー部140の厚み290は、
探針部138先端が試料表面から受けた力よりレバー部
の面286が湾曲しないように十分に厚さを取っておい
た方が好ましい。
In the cantilever 142 manufactured by the manufacturing method of this embodiment, as shown in FIG. 13, the thickness 290 of the lever portion 140 supporting the probe 138 is
It is preferable that the tip of the probe portion 138 has a sufficient thickness so that the surface 286 of the lever portion is not curved by the force received from the sample surface.

【0062】前述したように、探針部138の先端部
は、シリコンの(111)面と(100)面と人為的に加工
し得る面144とで規定され、この面144は探針形成
部122のエッチング面126によって定められる。し
かも、このエッチング面126の形状は任意に選ぶこと
ができる。従って、エッチング面126の形状を変える
ことにより、図13に示した探針部138とは異なる形
状の探針部を作製することも可能である。
As described above, the tip of the probe portion 138 is defined by the (111) and (100) surfaces of silicon and the surface 144 that can be processed artificially. 122 is defined by the etched surface 126. In addition, the shape of the etching surface 126 can be arbitrarily selected. Therefore, by changing the shape of the etching surface 126, it is possible to produce a probe portion having a shape different from the probe portion 138 shown in FIG.

【0063】以下、エッチング面の変形例とこの変形例
のエッチング面に基づいて形成される探針部について説
明する。
Hereinafter, a modified example of the etched surface and a probe formed based on the etched surface of the modified example will be described.

【0064】第一の変形例では、図19に示すように、
探針形成部122のエッチング面126'は、<110>
を含み((100))面に垂直な面に対して傾きθを持つ平
面126aと、<110>を含み((100))面に垂直な面
に対して傾きφ(>θ)を持つ平面126bとで構成され
る。
In the first modification, as shown in FIG.
The etching surface 126 ′ of the probe forming part 122 is <110>
A plane 126a having an inclination θ with respect to a plane perpendicular to the ((100)) plane, and a plane having an inclination φ (> θ) with respect to a plane perpendicular to the ((100)) plane, including <110>. 126b.

【0065】このような形状のエッチング面126'に
対して、上述した作製方法を同様に適用すると、エッチ
ング面126'の形状を反映して途中で曲がった酸化シ
リコンの壁が形成され、探針べース部は、先端部が三角
錐台の先にこれよりもアスペクト比が高い三角錐が連続
した形状となる。
When the above-described manufacturing method is similarly applied to the etching surface 126 ′ having such a shape, a silicon oxide wall bent in the middle reflecting the shape of the etching surface 126 ′ is formed, and The base portion has a shape in which a triangular pyramid having an aspect ratio higher than that of a truncated triangular pyramid is provided at the tip.

【0066】その結果、図20に示すように、三角錐台
の先にこれよりもアスペクト比が高い三角錐が連続した
形状の先端部を持つ探針部138'が得られる。この探
針部138'の先端部は、シリコンの(100)面と面1
44'とで規定され、この面144'は、探針形成部12
2のエッチング面126'の形状を反映して、<110>
を含み((100))面に垂直な面に対して傾きθを持つ平
面144aと、<110>を含み((100))面に垂直な面
に対して傾きφ(>θ)を持つ平面144bとで構成され
る。
As a result, as shown in FIG. 20, a probe portion 138 'having a tip portion having a shape in which a triangular pyramid having a higher aspect ratio than the truncated triangular pyramid is continuous is obtained. The tip of the probe 138 'is located between the (100) plane of silicon and the plane 1
44 ′, and the surface 144 ′ is
<110> reflecting the shape of the etched surface 126 ′ of FIG.
A plane 144a having an inclination θ with respect to a plane perpendicular to the ((100)) plane, and a plane having an inclination φ (> θ) with respect to a plane perpendicular to the ((100)) plane, including <110> 144b.

【0067】この形状の探針部138'は、全体の剛性
や強度を殆ど低下させることなく、先端のアスペクト比
の向上と高さ寸法の増大を実現し得る。
The probe portion 138 'having this shape can realize an improvement in the aspect ratio of the tip and an increase in the height dimension without substantially reducing the overall rigidity and strength.

【0068】図13に示すような単純な三角錐形状の探
針部138において、傾きθの値を大きくすることによ
って、先端のアスペクト比の向上あるいは高さ寸法の増
大を図ると、必然的に探針部全体の剛性や強度の低下を
伴なう。従って、探針部138の先端のアスペクト比や
高さ寸法は、この探針部の使用目的や材料(単結晶シリ
コン)の剛性や強度から上限が定まる。
In the simple triangular pyramid-shaped probe portion 138 as shown in FIG. 13, if the value of the inclination θ is increased to improve the aspect ratio or the height of the tip, it is inevitable. The rigidity and strength of the entire probe are reduced. Therefore, the upper limit of the aspect ratio and height of the tip of the probe 138 is determined by the purpose of use of the probe and the rigidity and strength of the material (single crystal silicon).

【0069】これに対して、図20に示すような探針部
138'では、レバー部140に近い三角錐台の部分(面
144aを含む部分)が強度をかせぐので、その先の三
角錐のアスペクト比を高めても、全体の強度はさほど低
下しない。従って、実際に実現し得る探針部138'の
アスペクト比と高さ寸法の上限は、図13の探針部13
8のそれよりも高いものとなる。
On the other hand, in the probe portion 138 'as shown in FIG. 20, the portion of the truncated triangular pyramid (the portion including the surface 144a) close to the lever portion 140 increases the strength, so Increasing the aspect ratio does not significantly reduce the overall strength. Therefore, the upper limit of the aspect ratio and the height dimension of the probe section 138 ′ that can be actually realized is determined by the probe section 13 of FIG.
8 higher than that.

【0070】第二の変形例では、図21に示すように、
探針形成部122のエッチング面126''は、<110>
を含み((100))面に垂直な面に対して傾きθを持つ平
面126aと、<110>を含み((100))面に垂直な面
に対して傾きφ(>θ)を持つ平面126bと、<110>
を含み((100))面に垂直な面に対して傾きψ(<θ)を
持つ平面126cとで構成される。
In the second modification, as shown in FIG.
The etched surface 126 '' of the probe forming part 122 has a <110>
A plane 126a having an inclination θ with respect to a plane perpendicular to the ((100)) plane, and a plane having an inclination φ (> θ) with respect to a plane perpendicular to the ((100)) plane, including <110>. 126b and <110>
And a plane 126c having an inclination ψ (<θ) with respect to a plane perpendicular to the ((100)) plane.

【0071】このような形状のエッチング面126''に
対して、上述した作製方法を同様に適用すると、エッチ
ング面126''の形状を反映してニカ所で折れ曲がった
酸化シリコンの壁が形成され、探針べース部は、その先
端部が、三角錐台の先にこれよりもアスペクト比が高い
三角錐が連続し、その頂点部分が斜めに切り取られた形
状となる。
When the above-described manufacturing method is similarly applied to the etched surface 126 ″ having such a shape, a silicon oxide wall bent at a portion reflecting the shape of the etched surface 126 ″ is formed. The tip portion of the probe base has a shape in which a triangular pyramid having an aspect ratio higher than that of the truncated triangular pyramid continues at the tip of the triangular pyramid, and the apex portion is cut off obliquely.

【0072】その結果、図22に示すように、三角錐台
の先にこれよりもアスペクト比が高い三角錐が連続し、
その頂点部分が斜めに切り取られた形状の先端部を持つ
探針部138''が得られる。この探針部138''の先端
部は、シリコンの(111)面と(100)面と面144''
とで規定され、この面144''は、探針形成部122の
エッチング面126''の形状を反映して、<110>を含
み((100))面に垂直な面に対して傾きθを持つ平面1
44aと、<110>を含み((100))面に垂直な面に対
して傾きφ(>θ)を持つ平面144bと、<110>を含
み((100))面に垂直な面に対して傾きψ(<θ)を持つ
平面144cとで構成される。
As a result, as shown in FIG. 22, a triangular pyramid having an aspect ratio higher than that of the truncated triangular pyramid continuously
A probe portion 138 '' having a tip portion whose top portion is obliquely cut off is obtained. The tip of the probe portion 138 ″ is formed by the (111) plane, the (100) plane, and the plane 144 ″ of silicon.
The surface 144 ″ reflects the shape of the etching surface 126 ″ of the probe forming part 122 and includes a tilt angle θ with respect to a plane including <110> and perpendicular to the ((100)) plane. Plane 1 with
44a, a plane 144b including <110> and having a tilt φ (> θ) with respect to a plane perpendicular to the ((100)) plane, and a plane 144b including <110> and perpendicular to the ((100)) plane. And a plane 144c having an inclination ψ (<θ).

【0073】この形状の探針部138''は、その先端近
くに3つの頂点146a,146b,146cを有してい
るため、特に垂直壁の測定や溝の底面の測定などの用途
に適している。面144bの傾きφを大きくするととも
に、これに対応する部分を長くすることにより、特に深
い溝の壁や底の測定に適したカンチレバーが得られる。
The probe portion 138 ″ of this shape has three vertices 146 a, 146 b, and 146 c near its tip, and is particularly suitable for applications such as measurement of a vertical wall and measurement of the bottom of a groove. I have. By increasing the inclination φ of the surface 144b and lengthening the corresponding portion, it is possible to obtain a cantilever particularly suitable for measuring the wall and bottom of a deep groove.

【0074】さらに、第一の変形例、第二の変形例とも
に、図7の工程において、探針べース部を900〜10
00℃、好ましくは950℃で酸化することにより、図
16に示すような効果がそれぞれの先端や頂点に現れ、
より尖鋭化された探針部が得られる。
Further, in both the first modified example and the second modified example, in the step of FIG.
By oxidizing at 00 ° C., preferably at 950 ° C., the effect shown in FIG.
A more sharpened probe section is obtained.

【0075】このように、上述した作製方法によれば、
先端の曲率半径が小さい探針部を備えたSPM用カンチ
レバーを容易かつ安定に作製できる。従って、より分解
能の高いSPM測定を可能にするSPM用カンチレバー
を提供できる。
As described above, according to the manufacturing method described above,
A cantilever for SPM having a probe with a small radius of curvature at the tip can be easily and stably manufactured. Therefore, it is possible to provide an SPM cantilever that enables SPM measurement with higher resolution.

【0076】また、様々な特性のカンチレバーにおいて
同様の探針部を常に精度よく安定に形成できるため、S
PM測定法の違いによる分解能の劣化がなくなり、常に
分解能の高いSPM測定を可能にするSPM用カンチレ
バーを提供できる。
In addition, since a similar probe portion can always be formed stably with high accuracy in cantilevers having various characteristics,
It is possible to provide a cantilever for SPM that does not deteriorate the resolution due to the difference in the PM measurement method and always enables the SPM measurement with high resolution.

【0077】さらに、高いアスペクト比を持つ探針部を
備えたSPM用カンチレバーを容易かつ安定に作製でき
る。従って、より分解能の高いSPM測定を可能にする
SPM用カンチレバーを提供できる。このように高いア
スペクト比を持つ探針部を備えたSPM用カンチレバー
は、特に光ディスクの溝などの段差の大きな試料のSP
M測定に好適である。加えて、本発明のカンチレバーは
探針をほぼ正確に上下運動させることができ、尚かつ、
探針の先端部が細いため、トレンチ溝やコンタクトホー
ル、及びダマシン等アスペクト比の高い微小な溝や穴の
底部の観察も容易にできる。
Further, an SPM cantilever having a probe portion having a high aspect ratio can be easily and stably manufactured. Therefore, it is possible to provide an SPM cantilever that enables SPM measurement with higher resolution. The SPM cantilever having the probe portion having such a high aspect ratio is particularly suitable for a sample having a large step such as a groove of an optical disc.
Suitable for M measurement. In addition, the cantilever of the present invention can move the probe up and down almost accurately, and
Since the tip of the probe is thin, it is easy to observe the bottom of a trench or a contact hole, or a minute groove or hole having a high aspect ratio such as damascene.

【0078】本実施形態では、第2の支持部136を形
成するためのエッチングマスク110の形状は長方形で
あり、このため、図9に示すように、完成品のカンチレ
バー142の両側に支持部の肩が平行に残っている。
In the present embodiment, the shape of the etching mask 110 for forming the second support portion 136 is rectangular. Therefore, as shown in FIG. Shoulders remain parallel.

【0079】第2の支持部136の形状は、図2の工程
で形成するエッチングマスク110に依存している。加
えて、第1の支持部114の形状は図3の工程における
フォトリソグラフィのパターニングに依存している。従
って、エッチングマスク110の形状と図3の工程にお
けるフォトリソグラフィのパターニングを変更すること
により、図23に示すような、両側の支持部の肩が削ら
れている形状のカンチレバー142'を得ることも可能
である。
The shape of the second support portion 136 depends on the etching mask 110 formed in the step shown in FIG. In addition, the shape of the first support portion 114 depends on the photolithography patterning in the process of FIG. Therefore, by changing the shape of the etching mask 110 and the patterning of the photolithography in the process of FIG. 3, the cantilever 142 ′ having a shape in which the shoulders of the support portions on both sides are cut off as shown in FIG. 23 can be obtained. It is possible.

【0080】このカンチレバー142'は、走査型プロ
ーブ顕微鏡に取り付けた際に、図9のカンチレバー14
2に比べて、第1の支持部114及び第2の支持部13
6と試料と接触を回避し易くなる。
When the cantilever 142 'is attached to a scanning probe microscope, the cantilever 14' shown in FIG.
2, the first support portion 114 and the second support portion 13
6 can be easily avoided from contacting the sample.

【0081】ここで、第1の支持部114のカンチレバ
ー142側の端面と第2の支持部136のカンチレバー
142側の端面が一致しているが、第1の支持部114
側の端面が第2の支持部136よりカンチレバー142
側にはみ出していても構わない。この場合、SPM測定
を行う試料表面に対して探針138の方が第2の支持部
136より突出する事になり、より段差の大きな試料表
面の測定も行える。また、第1の支持部114のカンチ
レバー142側の形状を探針表面と接触を回避するよう
な形状に任意に変更しても良い。この場合、カンチレバ
ー142を共振させる際に第1の支持部114の剛性が
保たれればよく、特に制限はない。また、この第1の支
持部114の形状変更は、図3の第1の支持部114形
成時のパターン変更により容易に行える。
Here, the end surface of the first support portion 114 on the cantilever 142 side and the end surface of the second support portion 136 on the cantilever 142 side are identical.
Side end surface is cantilever 142 from the second support portion 136.
It may be protruding to the side. In this case, the probe 138 protrudes from the second support portion 136 with respect to the sample surface on which the SPM measurement is performed, and the sample surface with a larger step can be measured. Further, the shape of the first support portion 114 on the cantilever 142 side may be arbitrarily changed to a shape that avoids contact with the probe surface. In this case, there is no particular limitation as long as the rigidity of the first support portion 114 is maintained when the cantilever 142 resonates. Further, the shape of the first support portion 114 can be easily changed by changing the pattern when forming the first support portion 114 in FIG.

【0082】レバー部の面286の反射率を高めるた
め、上述した製造プロセス(図1〜図9の工程)に、レバ
ー部の面286に金属膜等をコーティングする工程を加
えてもよい。
In order to increase the reflectance of the surface 286 of the lever portion, a step of coating the surface 286 of the lever portion with a metal film or the like may be added to the above-described manufacturing process (the steps of FIGS. 1 to 9).

【0083】また、光てこ方式をはじめとする光学セン
サーによる探針138の変位検出を行なう場合の変形例
を以下に示す。本変形例では、図1から図9に示す一連
の作製方法において、図3の工程の際にフォトリソグラ
フィで形成される探針形成部のマスクを、図30に示す
形状に変更し、図31に示すように、探針138の反対
側に(111)面からなるミラー面401を有するカンチ
レバーを形成する。光学センサーによる変位検出は、ミ
ラー面301に光を入射させて行われる。
A modification in which displacement of the probe 138 is detected by an optical sensor such as an optical lever system will be described below. In this modification, in the series of manufacturing methods shown in FIGS. 1 to 9, the mask of the probe forming portion formed by photolithography in the process of FIG. 3 is changed to the shape shown in FIG. As shown in (1), a cantilever having a mirror surface 401 made of a (111) plane is formed on the opposite side of the probe 138. The displacement detection by the optical sensor is performed by making light incident on the mirror surface 301.

【0084】図32にカンチレバー442と光学センサ
ー402の位置関係を簡単に示す。例えば、光学センサ
ー402は、破線矢印で示されるように、入射光の光路
と反射光の光路が同軸のものが用いられる。光学センサ
ー402には、例えば、入射光と反射光が同軸の光てこ
方式や臨界角検出等の合焦検出方式や干渉方式などが適
用できる。ここで、入射光と反射光が同軸の光てこ方式
とは、例えば、変位検出対象物に対しては同軸の光路で
あり、変位検出を行う検出器の前で光路がλ/4板など
で分離可能な光てこ方式のことである。
FIG. 32 briefly shows the positional relationship between the cantilever 442 and the optical sensor 402. For example, the optical sensor 402 has a coaxial optical path of the incident light and the optical path of the reflected light, as indicated by a dashed arrow. For the optical sensor 402, for example, an optical lever method in which incident light and reflected light are coaxial, a focus detection method such as critical angle detection, an interference method, and the like can be applied. Here, the optical lever system in which the incident light and the reflected light are coaxial is, for example, a coaxial optical path for a displacement detection target, and the optical path is a λ / 4 plate or the like in front of a detector that performs displacement detection. A separable optical lever system.

【0085】このような構成においては、探針138の
変位は、ミラー面401のずれとして検出される。本変
形例の横から見た図を図33(a)に、ミラー面と光路の
模式図を図33(b)に示す。このような光路同軸な光学
センサーは、図33(b)に示されるように、入射光La
が(111)面のミラー面401に垂直に入射するように
配置される。このときの測定サンプル表面に対する入射
光の角度は54.7°である。
In such a configuration, the displacement of the probe 138 is detected as a displacement of the mirror surface 401. FIG. 33A shows a side view of the modification, and FIG. 33B shows a schematic view of the mirror surface and the optical path. As shown in FIG. 33 (b), such an optical sensor having a coaxial optical path has an incident light La.
Are perpendicularly incident on the mirror surface 401 of the (111) plane. At this time, the angle of the incident light with respect to the measurement sample surface is 54.7 °.

【0086】また、光学センサーは、入射光の光路と反
射光の光路が非同軸な一般の光てこの光学センサーが用
いられてもよい。このような一般の光てこの光学センサ
ーでは、入射光はミラー面401の法線に対して傾きを
もって入射されればよく、図33(b)に示されるよう
に、入射光Lbは、例えば、ミラー面401に対して1
0°の入射角で入射される。この光てこ方式では、レー
ザー光源とカンチレバーの間に検出器が位置する構成を
示しているが、レーザー光源と検出器の位置、つまり入
射光と反射光の光路は逆に設定されても構わない。
Further, the optical sensor may be a general light lever optical sensor in which the optical path of incident light and the optical path of reflected light are non-coaxial. In such a general light lever optical sensor, the incident light only needs to be incident with an inclination with respect to the normal line of the mirror surface 401. As shown in FIG. 1 for mirror surface 401
It is incident at an incident angle of 0 °. In this optical lever system, a configuration is shown in which the detector is located between the laser light source and the cantilever, but the positions of the laser light source and the detector, that is, the optical paths of the incident light and the reflected light may be reversed. .

【0087】さらに、第2の支持部136のカンチレバ
ー442側の露出面を光学センサーの反射面303とし
て用いてもよい。この場合、図33(b)に示されるよう
に、入射光Lcは、例えば、測定サンプル表面に平行
に、すなわち、ミラー面301に54.7°の入射角で
入射される。ミラー面401からの反射光は、カンチレ
バーの支持部の反射面403に対して70.6°の入射
角で入射し反射される。反射面403を利用した構成で
は、光てこ方式の光路を長くとれるので、より感度の高
い変位検出が行なえる。
Further, the exposed surface of the second support portion 136 on the cantilever 442 side may be used as the reflection surface 303 of the optical sensor. In this case, as shown in FIG. 33B, the incident light Lc is incident, for example, parallel to the surface of the measurement sample, that is, at an incident angle of 54.7 ° on the mirror surface 301. The reflected light from the mirror surface 401 is incident on the reflecting surface 403 of the support portion of the cantilever at an incident angle of 70.6 ° and is reflected. In the configuration using the reflection surface 403, the optical path of the optical lever system can be long, so that displacement detection with higher sensitivity can be performed.

【0088】また、より高い感度で探針の変位を検出す
るため、カンチレバーは、図35に示されるように、ミ
ラー面401に金属膜の反射膜404が形成されてもよ
い。この反射膜404は、本実施形態の作製工程中の図
7の工程と図8の工程の間に、図34(a)〜図34(d)
に示される一連の工程を加えることにより形成される。
In order to detect the displacement of the probe with higher sensitivity, the cantilever may have a reflection film 404 of a metal film formed on the mirror surface 401 as shown in FIG. The reflection film 404 is provided between the steps of FIG. 7 and the step of FIG.
Are formed by adding a series of steps shown in (1).

【0089】図34(a)〜図34(d)は、図3の工程の
マスクを図30に示されるマスクに変更した場合におけ
る図7の工程の直後からの数工程を、図30におけるA
−A'線による断面で示している。図34(a)に示すよ
うに、カンチレバー442が形成されている第1の支持
部114表面をシリコン酸化膜132で覆った後、図3
4(b)に示すように、ミラー面401上のシリコン酸化
膜132をフォトリソグラフィとエッチングにより除去
する。
FIGS. 34 (a) to 34 (d) show several steps immediately after the step of FIG. 7 when the mask of the step of FIG. 3 is changed to the mask shown in FIG.
It is shown in a cross section taken along line -A '. As shown in FIG. 34A, after the surface of the first support 114 on which the cantilever 442 is formed is covered with the silicon oxide film 132, FIG.
As shown in FIG. 4B, the silicon oxide film 132 on the mirror surface 401 is removed by photolithography and etching.

【0090】次に、図34(c)に示すように、ミラー面
401上に金属膜の反射膜404を形成する。その後、
図34(d)に示すように、反射膜404を含む第1の支
持部114表面全体を再度シリコン酸化膜405で覆
う。最後に、上述した実施形態と同様の手順に従い、図
9に示す作製工程を経て完成品のカンチレバーを得る。
完成したカンチレバーの探針付近を反射膜404側から
見た図を図35に示す。
Next, as shown in FIG. 34C, a reflection film 404 of a metal film is formed on the mirror surface 401. afterwards,
As shown in FIG. 34D, the entire surface of the first support portion 114 including the reflective film 404 is covered with the silicon oxide film 405 again. Finally, according to the same procedure as in the above-described embodiment, a completed cantilever is obtained through the manufacturing process shown in FIG.
FIG. 35 shows a view of the vicinity of the probe of the completed cantilever viewed from the reflection film 404 side.

【0091】以上、本実施形態において、探針の反対
側、言い換えれば、レバー部の探針が形成されている位
置の探針の裏側にシリコン(111)面のミラー面401
を設けたことにより、光学変位センサーの配置が容易に
行える。また、このミラー面401に金属製の反射膜4
04を形成することにより、光学変位センサーの感度が
向上する。
As described above, in this embodiment, the mirror surface 401 of the silicon (111) surface is provided on the opposite side of the probe, in other words, on the back side of the probe at the position where the probe of the lever portion is formed.
Is provided, the optical displacement sensor can be easily arranged. In addition, a metal reflective film 4 is formed on the mirror surface 401.
The sensitivity of the optical displacement sensor is improved by forming 04.

【0092】同様に、本実施形態においても探針の裏側
に光学変位センサーで変位検出するための反射膜が形成
されているため、探針の変位変化を直接光学変位センサ
ーで検出することから、探針の正確な変位検出が行え、
しいては、試料表面の正確な凹凸のSPM測定が可能に
なる。
Similarly, also in this embodiment, since the reflection film for detecting the displacement by the optical displacement sensor is formed on the back side of the probe, the change in displacement of the probe is directly detected by the optical displacement sensor. Performs accurate displacement detection of the probe,
As a result, accurate SPM measurement of irregularities on the sample surface becomes possible.

【0093】以下、上述した作製方法を応用して作製す
る変位センサーを内蔵した集積型AFMセンサーについ
て説明する。
Hereinafter, an integrated AFM sensor having a built-in displacement sensor manufactured by applying the above-described manufacturing method will be described.

【0094】ひずみ抵抗層を利用した変位センサーを内
蔵した集積型AFMセンサーを図24に示す。この集積
型AFMセンサーは、上述した作製方法にイオン注入と
アルミ電極310を形成する工程を加えて作製される。
イオン注入により形成されたひずみ抵抗層302はカン
チレバー142及び、第1の支持部114の表面上に形
成され、アルミ電極310により、外部回路と接触可能
にしてある。図24に示す実施形態においては、P型の
シリコン基板に、リンもしくはヒ素等を注入してn型の
ひずみ抵抗層302を形成してある。このため、第1の
支持部114から延出しているレバー部140の傾きは
<110>に対して45°である。言い換えるならば、レ
バー部の向きは<100>であり、n型のひずみ抵抗層3
02の感度が一番高い向きをレバー部として選択してい
る。
FIG. 24 shows an integrated AFM sensor incorporating a displacement sensor using a strain resistance layer. This integrated AFM sensor is manufactured by adding the steps of ion implantation and forming the aluminum electrode 310 to the above-described manufacturing method.
The strain resistance layer 302 formed by ion implantation is formed on the surface of the cantilever 142 and the first support 114, and can be brought into contact with an external circuit by the aluminum electrode 310. In the embodiment shown in FIG. 24, an n-type strain resistance layer 302 is formed by implanting phosphorus or arsenic into a P-type silicon substrate. For this reason, the inclination of the lever portion 140 extending from the first support portion 114 is
45 ° to <110>. In other words, the direction of the lever portion is <100>, and the n-type strain resistance layer 3
The direction with the highest sensitivity of 02 is selected as the lever portion.

【0095】この集積型AFMセンサーは、探針部13
8先端で受けた力により、レバー部140が歪み、レバ
ー部140表面のひずみ抵抗層302抵抗値が変化し、
アルミ電極310間に流れる電流量を検出してその変化
量を検出する。この電流量の変化を探針の変位の変化と
して、表面凹凸を画像化する。
This integrated type AFM sensor has a probe section 13
8 The lever portion 140 is distorted by the force received at the tip, and the resistance value of the strain resistance layer 302 on the surface of the lever portion 140 changes.
The amount of current flowing between the aluminum electrodes 310 is detected, and the amount of change is detected. The change in the amount of current is used as a change in the displacement of the probe to image the surface irregularities.

【0096】本実施形態の集積型AFMセンサーにおい
ては、上述のカンチレバーの作製方法に、わずか2工程
増やすだけで、容易に変位センサーを内蔵することがで
きる。
In the integrated type AFM sensor according to the present embodiment, the displacement sensor can be easily incorporated by adding only two steps to the above-mentioned cantilever manufacturing method.

【0097】加えて、本実施形態の集積型AFMセンサ
ーにおいては、探針の変位を検出するセンサーが内蔵さ
れている。このため、測定試料の時間変化などを観察す
る際に利用される高速走査SPM測定に好適な微小カン
チレバーにおいても、光学変位センサーの光の大きさを
気にすることなくより小さなカンチレバーの変位測定が
可能になる。
In addition, the integrated type AFM sensor of this embodiment has a built-in sensor for detecting the displacement of the probe. For this reason, even in a micro cantilever suitable for high-speed scanning SPM measurement used when observing a time change of a measurement sample, displacement measurement of a smaller cantilever can be performed without concern for the light intensity of the optical displacement sensor. Will be possible.

【0098】本実施形態の集積型AFMセンサーにおい
ては、ひずみ抵抗層をイオン注入により形成したが、高
濃度のn型シリコンを第2のシリコン基板に持つSOI
基板を用意して作製してもよい。
In the integrated type AFM sensor of this embodiment, the strain resistance layer is formed by ion implantation, but the SOI having the high concentration n-type silicon in the second silicon substrate is used.
A substrate may be prepared and manufactured.

【0099】加えて、本実施形態の集積型AFMセンサ
ーにおいては、n型のひずみ抵抗層302を用いたが、
図25に示すように、n型のシリコン基板に、ボロン等
を注入してp型のひずみ抵抗層304を形成してもよ
い。p型のひずみ抵抗層304を形成した場合は、カン
チレバー142のレバー部の形状を図25に示すよう
に、<110>方向に沿った形状にした方がより感度の向
上が見込める。図25に示す変形例においても、高濃度
のp型シリコンを第2のシリコン基板に持つSOI基板
を用意して作製してもよい。
In addition, in the integrated type AFM sensor of this embodiment, the n-type strain resistance layer 302 is used.
As shown in FIG. 25, a p-type strain resistance layer 304 may be formed by implanting boron or the like into an n-type silicon substrate. In the case where the p-type strain resistance layer 304 is formed, the sensitivity can be further improved by forming the lever portion of the cantilever 142 along the <110> direction as shown in FIG. In the modification shown in FIG. 25 as well, an SOI substrate having high-concentration p-type silicon as the second silicon substrate may be prepared and manufactured.

【0100】また、本実施形態の集積型AFMセンサー
において、上述の探針部の変形例の全てをカンチレバー
の探針として設けることは上述の作製方法により容易で
ある。
Further, in the integrated type AFM sensor of the present embodiment, it is easy to provide all the modified examples of the above-mentioned probe portion as the probe of the cantilever by the above-mentioned manufacturing method.

【0101】以下、上述した集積型AFMセンサーを応
用して作製可能な特に垂直壁測定に好適なカンチレバー
を作製について説明する。
Hereinafter, the fabrication of a cantilever suitable for vertical wall measurement, which can be fabricated by applying the above-described integrated AFM sensor, will be described.

【0102】上述した作製方法により作製されるカンチ
レバーでは、探針部及び探針周辺のの形状は、シリコン
の2つの結晶面、(111)面と(100)面と、人為的な
加工により形成される2つの面によって規定されてい
る。これらの人為的な加工により形成される2つの面を
変更することによって、上述した探針とは全く異なる形
状の、垂直壁測定に好適な探針部を備えるカンチレバー
を作製することもできる。
In the cantilever manufactured by the above-described manufacturing method, the shape of the probe portion and the periphery of the probe are formed by two crystal planes of silicon, (111) plane and (100) plane, and by artificial processing. Are defined by two aspects. By changing the two surfaces formed by these artificial processes, it is possible to produce a cantilever having a completely different shape from the above-described probe and having a probe portion suitable for vertical wall measurement.

【0103】この垂直壁測定に好適な探針部を備えるカ
ンチレバーを図26に示す。図中、既に説明した部材と
同等の部材は、同一の参照符号を付して示されている。
FIG. 26 shows a cantilever provided with a probe suitable for vertical wall measurement. In the drawings, members equivalent to those already described are denoted by the same reference numerals.

【0104】図26に示されるように、カンチレバー2
42は、レバー部140の面286に対して探針部23
8が垂直に延出しており、その先端部には、探針部23
8の延出方向に対して左右に位置する一対の終端点20
1と202を有している。他の言い方をすれば、カンチ
レバー242は、探針部238の延出方向の左右に対称
的に突出した一対の三角錐形状の突起部を含む探針部2
38を有している。
As shown in FIG. 26, the cantilever 2
42 is the probe part 23 with respect to the surface 286 of the lever part 140.
8 extend vertically, and the tip thereof has a probe 23
A pair of terminal points 20 located on the left and right with respect to the extension direction
1 and 202. In other words, the cantilever 242 includes a pair of triangular pyramid-shaped protrusions symmetrically protruding left and right in the direction in which the probe 238 extends.
38.

【0105】探針部238の突起部の側面は、交差する
2つの結晶面すなわち(111)面と(100)面と、人為
的な加工によって形成された面203,204とで構成
され、終端点201,202は各々、(111)面と(10
0)面と面203,204の交点である。
The side surface of the projection of the probe portion 238 is composed of two intersecting crystal planes, ie, a (111) plane and a (100) plane, and planes 203 and 204 formed by artificial processing. Points 201 and 202 are (111) plane and (10
0) This is the intersection between the plane and the planes 203 and 204.

【0106】この探針部を形成する際の探針形成部22
2の形状を図27に示す。探針形成部222は、<11
0>方向に垂直な面226,224の先にわずかに傾斜し
た面203,204により形成されている。面203,2
04の<110>を含み(100)面に垂直な面に対する角
度βは同じである。この探針形成部222は、図3の工
程におけるフォトリソグラフィのパターニングの変更に
より容易である。次に図5の工程における窒化シリコン
112の除去部分を面203,204で挟まれた部分の
みにすることにより、その先端に2つの終端点201と
202を有する探針部238を備えるカンチレバー24
2が作製される。
The probe forming section 22 for forming the probe section
The shape of No. 2 is shown in FIG. The probe forming section 222 has a value of <11
It is formed by slightly inclined surfaces 203 and 204 ahead of surfaces 226 and 224 perpendicular to the 0> direction. Face 203,2
The angle β with respect to the plane including <110> of the plane 04 and perpendicular to the (100) plane is the same. The probe forming section 222 can be easily formed by changing the patterning of photolithography in the process of FIG. Next, by removing the silicon nitride 112 in the step of FIG. 5 only at the portion sandwiched between the surfaces 203 and 204, the cantilever 24 having the probe portion 238 having two terminal points 201 and 202 at its tip is provided.
2 are produced.

【0107】さらに、図7の工程において、900〜1
000℃、好ましくは950℃で酸化することにより、
図28に示されるように、より尖鋭化された一対の終端
点201'と202'を持つ探針部238'が得られる。
Further, in the step of FIG.
By oxidizing at 000 ° C, preferably at 950 ° C,
As shown in FIG. 28, a probe portion 238 'having a pair of more sharpened end points 201' and 202 'is obtained.

【0108】このカンチレバー242を用いた垂直壁測
定の様子を図29に示す。垂直壁測定は、カンチレバー
242を探針部238(238')の2つの終端点201
(201')と202(202')を結ぶ稜線方向に励振して
行われる。
FIG. 29 shows how the vertical wall is measured using the cantilever 242. In the vertical wall measurement, the cantilever 242 is connected to the two end points 201 of the probe portion 238 (238 ′).
The excitation is performed in the direction of the ridge line connecting (201 ') and 202 (202').

【0109】また、垂直壁測定の検出には集積型AFM
センサーを使用しており、そのひずみ抵抗層はp型であ
る。
In addition, an integrated AFM is used for detecting a vertical wall measurement.
A sensor is used, and the strain resistance layer is p-type.

【0110】このようなカンチレバー242は、薄い探
針部238(238')の先端に左右に突出した一対の終
端点201(201')と202(202')を有しているた
め、図29から分かるように、特に垂直壁の測定の測定
に好適である。
Since such a cantilever 242 has a pair of terminal points 201 (201 ') and 202 (202') protruding left and right at the tip of the thin probe portion 238 (238 '), FIG. As can be seen, it is particularly suitable for measuring vertical wall measurements.

【0111】これまで、いくつかの実施の形態について
図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上
述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨
を逸脱しない範囲で行われるすべての実施を含む。
Although several embodiments have been described in detail with reference to the drawings, the present invention is not limited to the above-described embodiments, but may be practiced without departing from the scope of the invention. Includes all implementations.

【0112】[0112]

【発明の効果】本発明によれば、支持部の片側にレバー
部と探針を含む両持ち梁形状のカンチレバーを設けてい
るため、測定に不必要な先端部以外の部分の試料表面へ
の接触が容易に回避でき、加えて、探針先端と測定する
試料表面の位置が容易に観察できるため、両持ち梁形状
のカンチレバーの利点である試料表面の正確な凹凸情報
が短時間で容易に得ることを可能にする。
According to the present invention, since a cantilever of a doubly supported shape including a lever portion and a probe is provided on one side of the support portion, portions other than the tip portion unnecessary for measurement can be applied to the sample surface. Contact can be easily avoided, and the position of the tip of the probe and the surface of the sample to be measured can be easily observed. To gain.

【0113】加えて、本発明によれば、カンチレバーの
バネ定数を任意に柔らかくできるため、探針先端を湾曲
させることなくアスペクト比の高い探針をSPM測定に
用いることができ、トレンチ溝やコンタクトホールやダ
マシン等の微細化が進むアスペクト比の高い溝や穴など
の測定が正確に行える。
In addition, according to the present invention, since the spring constant of the cantilever can be arbitrarily softened, a probe having a high aspect ratio can be used for SPM measurement without curving the tip of the cantilever. It is possible to accurately measure grooves and holes with a high aspect ratio, such as holes and damascenes, which are becoming finer.

【0114】また、光学変位センサーを検出系に使用す
るSPM測定に用いる本発明のカンチレバーによれば、
探針の真裏に変位検出を行う反射面を設けているため、
探針先端の変位の変位情報が正確に検出できるため、試
料表面の正確なSPM測定が可能である。
Further, according to the cantilever of the present invention used for SPM measurement using an optical displacement sensor for a detection system,
Because a reflective surface that detects displacement is provided directly behind the probe,
Since the displacement information of the displacement of the tip of the probe can be accurately detected, accurate SPM measurement of the sample surface is possible.

【0115】また、歪み抵抗による変位検出を行う本発
明のカンチレバーによれば、探針の変位検出を行う歪み
抵抗がカンチレバー自体に内蔵されているため、カンチ
レバー全体のサイズの微小化が可能となり、測定試料の
時間変化などを観察する際に利用される高速走査SPM
測定に有効である。
Further, according to the cantilever of the present invention for detecting displacement by strain resistance, since the strain resistor for detecting displacement of the probe is incorporated in the cantilever itself, it is possible to miniaturize the entire size of the cantilever. High-speed scanning SPM used for observing the time change of the measurement sample
Effective for measurement.

【0116】また、本発明は、半導体プロセスを応用し
たバッチプロセスで作製されているため、ほぼ同様の特
性を持ち、先端が鋭い探針を持つカンチレバーが同時に
大量に安定して作製できる。
Further, since the present invention is manufactured by a batch process to which a semiconductor process is applied, cantilevers having almost the same characteristics and having a sharp tip can be simultaneously manufactured stably in large quantities.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態によるカンチレバーの作製
方法における第1の工程を示している。
FIG. 1 shows a first step in a method for manufacturing a cantilever according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態によるカンチレバーの作製
方法における図1の工程に続く第2の工程を示してい
る。
FIG. 2 shows a second step following the step of FIG. 1 in the method of manufacturing a cantilever according to the embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施の形態によるカンチレバーの作製
方法における図2の工程に続く第3の工程を示してい
る。
FIG. 3 shows a third step following the step in FIG. 2 in the method of manufacturing a cantilever according to the embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施の形態によるカンチレバーの作製
方法における図3の工程に続く第4の工程を示してい
る。
FIG. 4 shows a fourth step following the step of FIG. 3 in the method of manufacturing a cantilever according to the embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施の形態によるカンチレバーの作製
方法における図4の工程に続く第5の工程を示してい
る。
FIG. 5 shows a fifth step following the step of FIG. 4 in the method of manufacturing a cantilever according to the embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施の形態によるカンチレバーの作製
方法における図5の工程に続く第6の工程を示してい
る。
FIG. 6 shows a sixth step following the step of FIG. 5 in the method of manufacturing a cantilever according to the embodiment of the present invention.

【図7】本発明の実施の形態によるカンチレバーの作製
方法における図6の工程に続く第7の工程を示してい
る。
FIG. 7 shows a seventh step following the step of FIG. 6 in the method of manufacturing a cantilever according to the embodiment of the present invention.

【図8】本発明の実施の形態によるカンチレバーの作製
方法における図7の工程に続く第8の工程を示してい
る。
FIG. 8 shows an eighth step following the step of FIG. 7 in the method of manufacturing a cantilever according to the embodiment of the present invention.

【図9】図1〜図8の工程を経て得られる完成品として
のカンチレバーを概略的に示している。
FIG. 9 schematically shows a cantilever as a finished product obtained through the steps of FIGS.

【図10】図3の工程において形成される探針形成部の
形状を示している。
FIG. 10 shows the shape of a probe forming portion formed in the step of FIG.

【図11】図5の工程の後に残存する窒化シリコン膜の
探針形成部付近を拡大して示している。
FIG. 11 is an enlarged view showing the vicinity of a probe forming portion of a silicon nitride film remaining after the step of FIG. 5;

【図12】図10に示す形状の探針形成部に基づいて図
6の工程において形成される探針ベース部を示してい
る。
12 shows a probe base formed in the process of FIG. 6 based on the probe forming portion having the shape shown in FIG. 10;

【図13】図12に示す探針ベース部に基づいて最終的
に形成される探針部を示している。
FIG. 13 shows a probe portion finally formed based on the probe base portion shown in FIG.

【図14】図9に示されるカンチレバーが測定のため
に、試料表面にほぼ垂直に立てられた様子を示してい
る。
FIG. 14 shows a state in which the cantilever shown in FIG. 9 is erected substantially perpendicular to the sample surface for measurement.

【図15】レバー部の形状を変更することによりレバー
部のバネ定数の低減を図ったカンチレバーを示してい
る。
FIG. 15 shows a cantilever in which the spring constant of the lever portion is reduced by changing the shape of the lever portion.

【図16】図7の工程において低温熱酸化処理を施すこ
とにより形成される探針部を示している。
FIG. 16 shows a probe formed by performing a low-temperature thermal oxidation process in the step of FIG. 7;

【図17】窒化シリコン膜の端部をずらして形成される
探針ベース部を示している。
FIG. 17 shows a probe base formed by shifting an end of a silicon nitride film.

【図18】図17に示す探針ベース部に基づいて形成さ
れる、レバー部の面と平行な方向に突出する突起が短い
探針部を示している。
FIG. 18 shows a probe portion formed based on the probe base portion shown in FIG. 17 and having a short protrusion protruding in a direction parallel to the surface of the lever portion.

【図19】図3の工程において形成される探針形成部の
形状の第一の変形例を示している。
FIG. 19 shows a first modification of the shape of the probe forming portion formed in the step of FIG.

【図20】図19に示す形状の探針形成部に基づいて図
6の工程において形成される探針ベース部を示してい
る。
20 shows a probe base formed in the process of FIG. 6 based on the probe forming portion having the shape shown in FIG. 19;

【図21】図3の工程において形成される探針形成部の
形状の第二の変形例を示している。
FIG. 21 shows a second modification of the shape of the probe forming portion formed in the step of FIG.

【図22】図21に示す形状の探針形成部に基づいて図
6の工程において形成される探針ベース部を示してい
る。
22 shows a probe base formed in the process of FIG. 6 based on the probe forming portion having the shape shown in FIG. 21.

【図23】作製工程を若干変更して得られる両側の支持
部の肩が削られているカンチレバーを示している。
FIG. 23 shows a cantilever in which shoulders of support portions on both sides obtained by slightly changing a manufacturing process are cut.

【図24】ひずみ抵抗層を利用した変位センサーを内蔵
した集積型AFMセンサーを示している。
FIG. 24 shows an integrated AFM sensor including a displacement sensor using a strain resistance layer.

【図25】図24に示す集積型AFMセンサーと異な
り、カンチレバーのレバー部が<110>方向に沿って延
びている集積型AFMセンサーを示している。
25 shows an integrated AFM sensor in which the lever portion of the cantilever extends along the <110> direction, unlike the integrated AFM sensor shown in FIG.

【図26】垂直壁測定に好適な探針部を示している。FIG. 26 shows a probe section suitable for vertical wall measurement.

【図27】図26に示す探針部を形成する際の探針形成
部を示している。
FIG. 27 shows a probe forming part when forming the probe part shown in FIG. 26;

【図28】低温熱酸化処理を施すことにより形成される
垂直壁測定に好適な探針部を示している。
FIG. 28 shows a probe portion suitable for measuring a vertical wall formed by performing a low-temperature thermal oxidation process.

【図29】図26または図28に示す探針部を備えるカ
ンチレバーを用いた垂直壁測定の様子を示している。
FIG. 29 shows a state of vertical wall measurement using a cantilever provided with the probe portion shown in FIG. 26 or FIG.

【図30】図31に示される探針部の反対側に(111)
面の反射面を有するカンチレバーを形成するために、図
3の工程で適用される探針形成部のマスクの変形例を示
している。
30 is (111) on the opposite side of the probe portion shown in FIG. 31.
FIG. 4 shows a modification of the mask of the probe forming portion applied in the step of FIG. 3 to form a cantilever having a reflective surface.

【図31】図30に示されるマスクに従って形成される
探針部の反対側に(111)面の反射面を有するカンチレ
バーを示している。
31 shows a cantilever having a (111) reflecting surface on the opposite side of a probe formed according to the mask shown in FIG. 30;

【図32】図31に示されるカンチレバーと、その変位
を検出する光学センサーの配置関係を示している。
FIG. 32 shows an arrangement relationship between the cantilever shown in FIG. 31 and an optical sensor for detecting its displacement.

【図33】(a)は図32に示すカンチレバーの側面図で
あり、(b)はその光学的反射面の配置の模式図である。
33 (a) is a side view of the cantilever shown in FIG. 32, and FIG. 33 (b) is a schematic view of the arrangement of the optical reflection surface.

【図34】図31に示されるカンチレバーのミラー面に
金属膜の反射膜を形成するための、図7の工程の直後に
追加される一連の数工程を示している。
FIG. 34 shows a series of several steps added immediately after the step of FIG. 7 to form a reflective film of a metal film on the mirror surface of the cantilever shown in FIG. 31.

【図35】図34に示される工程を経て後に図9の工程
を経て得られるカンチレバーの探針付近を反射膜側から
見た図である。
35 is a view of the vicinity of the probe tip of the cantilever obtained through the step of FIG. 9 after the step shown in FIG. 34, as viewed from the reflective film side.

【図36】図9に示されるカンチレバーの変形例を示し
ており、第1の支持部からのレバー部の延出角が0°で
あるカンチレバーの斜視図である。
36 shows a modification of the cantilever shown in FIG. 9, and is a perspective view of the cantilever in which the extension angle of the lever portion from the first support portion is 0 °. FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

114 第1の支持部 136 第2の支持部 138 探針部 140 レバー部 142 カンチレバー 286 面 114 first support portion 136 second support portion 138 probe portion 140 lever portion 142 cantilever 286 surface

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 探針部と両持ち梁形状のレバー部と支持
部を有する走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおい
て、 その支持部がレバー部と探針を含む面のほぼ片側に設け
られている事を特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カン
チレバー。
1. A cantilever for a scanning probe microscope having a probe part, a doubly supported lever part and a support part, wherein the support part is provided on substantially one side of a surface including the lever part and the probe. A cantilever for a scanning probe microscope, characterized in that:
【請求項2】 探針部と両持ち梁形状のレバー部と支持
部を有する走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおい
て、 探針部の真裏に変位を検出する為の平面(反射面)が設け
られていることを特徴とする請求項1に記載の走査型プ
ローブ顕微鏡用カンチレバー。
2. A cantilever for a scanning probe microscope having a probe portion, a cantilevered lever portion and a support portion, wherein a flat surface (reflection surface) for detecting displacement is provided directly behind the probe portion. The cantilever for a scanning probe microscope according to claim 1, wherein
【請求項3】 探針部とレバー部と支持部を有する走査
型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、 探針部の変位量を歪み抵抗により検出することを特徴と
する請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレ
バー。
3. The scanning probe according to claim 1, wherein in a cantilever for a scanning probe microscope having a probe portion, a lever portion, and a support portion, a displacement amount of the probe portion is detected by a strain resistance. Microscope cantilever.
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