JP2005114509A - 走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 １枚の半導体基板から寸法上のばらつきがない多数の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを作製する方法を提供すること。
【解決手段】 走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー１０は、レバー１１の一端に探針１２、他端に支持体１３が一体に形成され、ＳＯＩウエハ１００から作製される。製造工程は、レバー１１の長さ方向をＳＯＩウエハ１００の厚さ方向に選び、探針１２の長手方向をＳＯＩウエハ１００の表面と平行に選んで、ＳＯＩウエハ１００を選択的に除去するものである。ＳＯＩウエハ１００の代わりにＳｉ単結晶ウエハを用いてもほぼ同様の工程で走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー１０を作製できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーおよびその製造方法に関する。

走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）は、カンチレバーの探針を試料に原子径レベルで近接させ、試料表面を２次元走査することにより、試料と探針との相互作用に基づく力や微小開口を通過する光を検出する装置である。ＳＰＭのカンチレバーは、ＩＣ製造プロセスを応用してＳｉウエハから作製されるものが主流となっている。このＳｉ製カンチレバーは、レバー部の長さ方向と厚さ方向がＳｉウエハの表面と平行に選ばれ、レバー部の幅方向がシリコンウエハの厚さ方向に選ばれ、１枚のＳｉウエハから多数作製される（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１-３３７５６３号公報（第２頁、図８〜１０）

ＳＰＭのカンチレバーは、試料表面を走査することで損耗や汚染等が発生することが多いために、通常、ある程度の数のスペアを用意しておき、必要に応じて新品と交換している。すなわち、カンチレバーは消耗品として扱われるので、個々のカンチレバーに寸法上のばらつきがあってはならず、また、１枚の半導体基板からできるだけ多数のカンチレバーを作製することがコスト低減の点から望まれている。上記の従来技術では、レバー部の長さ方向をＳｉウエハの表面と平行に選ぶので、Ｓｉウエハ表面上に高密度にカンチレバーを配する材料取りができず、製造コストの低減は困難であった。

（１）請求項１の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法は、レバー部の一端に探針部、他端に支持部が一体に形成され、半導体基板から作製する方法であって、レバー部の長さ方向を半導体基板の厚さ方向と平行に選び、探針部の長手方向を半導体基板の表面と平行に選んで、半導体基板を選択的に除去することを特徴とする。

（２）請求項２の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法は、半導体基板の厚さ方向にエッチングしてレバー部の長さを規定する第１の工程と、第１の工程により露出したレバー部の側面をエッチングしてレバー部の厚さを規定するとともに探針部を形成する第２の工程とを有することを特徴とする。

（３）請求項１または２の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法では、半導体基板にＳＯＩウエハを用いることができる。この場合、レバー部の長さは、ＳＯＩウエハの一方のＳｉ層の厚さに等しくすることが好ましい。
（４）請求項１または２の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法では、半導体基板にＳｉウエハを用いることができる。この場合、レバー部の長さは、ＩＣＰ−ＲＩＥ法によりＳｉウエハをその厚さ方向に除去した深さに等しくすることが好ましい。
（５）請求項７の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーは、請求項１〜６のいずれかの製造方法によって作製されたことを特徴とする。

本発明によれば、１枚の半導体基板から寸法上のばらつきがない多数の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを作製することができる。

以下、本発明による走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー（以下、ＳＰＭ用カンチレバーと言う）について図１〜７を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態のカンチレバーを取り付けたＳＰＭの主要部の構成を模式的に示す概略構成図である。ＳＰＭ用カンチレバー１０は、レバー１１、探針１２および支持体１３を有し、ホルダー１４に着脱可能に保持される。すなわち、ホルダー１４は、支持体１３を着脱可能に保持する構造であり、ＳＰＭ用カンチレバー１０全体を支持する。着脱方法には、支持体１３をホルダー１４の溝部にスライドさせる方法や支持体１３をホルダー１４に取り付けられた板バネで押圧する方法などがある。
レバー１１は、例えば、長さＬ＝１５０μｍ、厚さｔ＝２μｍ、幅３０μｍの薄膜状である。探針１２は、例えば、長さｄ＝５μｍの三角錐である。支持体１３は直方体である。

ＳＰＭは、次のように試料Ｓの表面を計測する。探針１２を試料Ｓの表面に原子径レベルで近接させると、探針１２の先端と試料Ｓの表面との相互作用によってレバー１１の先端部が変位する。この変位量は、例えば、光てこ方式により測定される。すなわち、光ファイバー１５を経由してきたレーザ光をレバー１１の背面に入射させ、２分割フォトダイオード１６で反射光の入射位置を検出することにより変位量を測定できる。探針１２を試料Ｓの表面に沿って２次元走査すると、相互作用に応じた変位量の分布図が得られる。

図２（ａ）は、本実施の形態によるＳＰＭ用カンチレバー１０の構造を説明する斜視図である。図２（ｂ）は、Ｘ方向から見た側面図、図２（ｃ）は、Ｙ方向から見た正面図である。図３は、図２（ａ）の主要部の部分拡大図である。図２（ａ）および図３では、レバー１１の長さ方向をＺ方向、厚さ方向をＹ方向、幅方向をＸ方向にとる直交座標で方位が表わされている。

以下、これらの図を参照してＳＰＭ用カンチレバー１０について詳細に説明する。
図２は、１枚のウエハから多数のカンチレバーを作製する工程にある３個のカンチレバーを示している。図示のように、ＹＺ面に平行な２つの平面２９で切断することにより、寸法形状が等しい３個のＳＰＭ用カンチレバー１０が得られる。ＳＰＭ用カンチレバーは、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)ウエハ１００から一体で作製される。ＳＯＩウエハ１００は、２枚のＳｉ単結晶板の一方にＳｉＯ_２層を形成し、ＳｉＯ_２層を介して張り合わせたものである。

ＳＰＭ用カンチレバー１０は、レバー１１の一端に探針１２が形成され、レバー１１の他端に支持体１３が設けられている。レバー１１および探針１２は、ＳＯＩウエハ１００の上部Ｓｉ層２０（２点鎖線で表示）から形成され、支持体１３は、ＳｉＯ_２層３０と下部Ｓｉ層４０から形成される。すなわち、ＳＰＭ用カンチレバー１０は、レバー１１と支持体１３との結合部のみがＳｉＯ_２であり、その他はすべてＳｉから成る。レバー１１の長さは、上部Ｓｉ層２０の厚さに等しい。

図３は、レバー１１と探針１２の構造を詳細に示す要部斜視図である。レバー１１は、長さＬ、厚さｔ、幅ｗのほぼ四角柱形状をなしている。上部Ｓｉ層２０の表面を主面（００１）（ハッチングで表示）にとると、レバー１１の長さ方向は、Ｚ方向、すなわち＜００１＞方向である。（００１）面は、後述するようにエッチングレートが他の面よりも大きいので、深くエッチングするには好適である。レバー１１の長さＬは、上部Ｓｉ層２０の厚さに等しいので、上部Ｓｉ層２０の厚さを管理すれば、レバー１１の長さを非常に正確に調整することができる。

探針１２は、Ｙ方向に長手方向をもつ長さｄの三角錐である。この三角錐は、三角柱を頂点Ａ，Ｂ，Ｃを結ぶ平面で切り落とした形状であり、頂点Ａが探針１２の先端である。上部Ｓｉ層２０の表面を主面（００１）にとると、探針１２の稜線１２ａで分割される２つの面の方位はいずれも｛１１１｝面であり、頂点Ａ，Ｂ，Ｃを結ぶ三角形も｛１１１｝面である。｛１１１｝面は原子稠密面であり、３つの｛１１１｝面が交差する頂点Ａは、微視的な強度が大きく化学的安定性が高い。従って、探針１２は、耐摩耗性や耐食性が高い。

探針１２は、３つの｛１１１｝面で囲まれた形状なので、形状の再現性、安定性に優れている。また、探針１２の長さｄは、上部Ｓｉ層２０の結晶構造と、稜線１２ａをもつ稜線構造の高さｈによって決まる。Ｓｉ単結晶の場合、探針１２の長さｄと稜線構造の高さｈとの関係は、ｄ＝０．７１ｈである。従って、稜線構造の高さｈを正確に作製すれば、探針１２の長さｄの寸法の再現性や安定性が期待できる。
なお、レバー１１の下端には、後述する製造工程に起因する三角柱の突起部１４が形成されている。また、仮想線（２点鎖線）で表示する部分は、製造工程により上部Ｓｉ層２０が除去された部分である。

次に、本発明によるＳＰＭ用カンチレバー１０の製造工程について、図４〜７を参照しながら詳しく説明する。製造工程は、図４〜６の部分斜視図で示されるように、工程（ａ）〜（ｌ）まで順に進む。

先ず、図４を参照する。
工程（ａ）では、ＳＯＩウエハ１００を準備する。ＳＯＩウエハ１００は、厚さ１５０μｍの上部Ｓｉ層２０、厚さ１μｍのＳｉＯ_２層３０、厚さ５００μｍの下部Ｓｉ層４０の３層構造を有する。上部Ｓｉ層２０の結晶方位は、ＸＹ平面が（００１）、ＺＸ平面が（１１０）、Ｙ方向が＜１１０＞である。以下、説明の便宜上、ＳＯＩウエハ１００の表面を＜１１０＞に平行に２分割し、面Ｐ１，Ｐ２とする。

工程（ｂ）では、面Ｐ２の上部Ｓｉ層２０の上に、スパッタリングにより窒化珪素（ＳｉＮ）層２１を形成する。

工程（ｃ）では、ＳｉＮ層２１をマスクとして、ＫＯＨ水溶液を用いて面Ｐ１の上部Ｓｉ層２０が露出している表面に対して異方性エッチングをする。このとき、ＳｉＮ層２１との境界部分には、｛１１１｝面が形成される。

工程（ｄ）では、面Ｐ１の上部Ｓｉ層２０のエッチング面に対して局所酸化により、厚さ２００ｎｍの酸化膜２２を形成する。酸化方法は、酸素ガスと水素ガスを高温で反応させて生成する水蒸気を用いた水蒸気酸化である。

次に、図５を参照する。
工程（ｅ）では、面Ｐ１の酸化膜２２をマスクとして、ＲＩＥにより面Ｐ２のＳｉＮ層２１を除去する。すなわち、プロセスガスとしてＣＦ_４を用い、エッチング速度１２ｎｍ／ｍｉｎのエッチングを行う。

工程（ｆ）では、面Ｐ２の露出した上部Ｓｉ層２０の表面に対してＫＯＨ水溶液を用いて異方性エッチングをする。

工程（ｇ）では、５０％フッ酸水溶液にて面Ｐ１の酸化膜２２を除去する。上部Ｓｉ層２０の表面には、面Ｐ１とＰ２の境界部分に断面が三角形の線状の突起（ナノワイヤー）２３が形成される。

工程（ｈ）では、ナノワイヤー２３の中央部にパターニングされた厚膜レジスト２４を形成する。厚膜レジスト２４のパターン形状は、Ｚ方向から見ると、中央部分の幅が狭い矩形状であり、線分２５に対して対称である。厚膜レジスト２４は、面Ｐ１，Ｐ２の全面にスピンコーターによりレジストを塗布し、ホットプレート上で１１０℃でベークし、紫外線露光を行った後に現像することにより形成される。

続いて図６を参照する。
工程（ｉ）では、パターニングされた厚膜レジスト２４をマスクとして、ＩＣＰ−ＲＩＥ（inductively coupled plasma - reactive ion etching）により上部Ｓｉ層２０を深くエッチングし、柱状構造体２６を形成する。柱状構造体２６は、後工程で作製されるレバー１１の原型である。ＩＣＰ−ＲＩＥによるエッチング作用は、ＳｉＯ_２層３０により停止するので、エッチング深さ、換言すれば柱状構造体２６の高さは、上部Ｓｉ層２０の厚さである１５０μｍに等しい。エッチング後には、ＳｉＯ_２層３０の面が露出する。

ＩＣＰ−ＲＩＥは、０．０５〜１Ｐａの比較的低い圧力下で、高密度プラズマ中のプロセスガスのイオンと試料表面との化学反応を利用して試料をエッチングするものであり、異方性の高いエッチング加工ができる。プロセスガスとしては、ＣＣｌ_２Ｆ_２あるいはＣＦ_４等の酸化性ガスが用いられる。Ｓｉの場合、主面（００１）は、｛１１１｝面よりものエッチング速度が大きいので優先的に除去される。

工程（ｊ）では、ＲＩＥ、すなわち酸素ガスを用いたアッシング、レジスト専用のリムーバーまたは硫酸過水（硫酸：過酸化水素＝３：１）溶液などにより、マスクとして用いた厚膜レジスト２４を除去し、その後、柱状構造体２６の全面に０．５μｍ厚の酸化膜を形成し、酸化膜で覆われた柱状構造体２７を作製する。

工程（ｋ）では、線分２５上を主面（００１）に直角にダイシングする。ダイシングによって柱状構造体２７を完全に分離させて、同一の寸法形状をもつ２つの柱状構造体２８とするが、下部Ｓｉ層４０は、完全に切り離さずに接続部分４１を残す。図６（ｄ）には、ダイシングにより２分割された一方の柱状構造体２８について、ダイシングによりＳｉ層が露出した切断面がハッチングで表示されている。この切断面は、（１１０）面である。

工程（ｌ）では、ＫＯＨ水溶液を用いて、ダイシングによる切断面である（１１０）面に対して異方性エッチングをする。この異方性エッチングのエッチング条件により、レバー１１の厚さｔを決定する。例えば、７０℃、３０ｗｔ％のＫＯＨ水溶液を用いると、Ｓｉの（１１０）面のエッチングレートは、約０．８μｍ／ｍｉｎであるから、エッチング時間によりレバー１１の厚さｔを調整できる。実際の作業では、測長顕微鏡を用いてレバー１１の厚さを測定しながらエッチングを行い、最終的にｔ＝２μｍ±０．２μｍに調整した。

一方、探針１２も、ＫＯＨ水溶液を用いた異方性エッチングにより形成される。探針１２の形状は、前述したように、Ｓｉ単結晶の３つの｛１１１｝面で決まる三角錐であり、異方性エッチングのエッチング条件に多少の誤差があっても、常に同一形状の探針１２を作製できる。本実施の形態では、工程（ｇ）で形成されるナノワイヤー２３の高さｈを所望の高さで形成し、式ｄ＝０．７１ｈによって決まる探針１２の長さｄを５μｍ±０．２μｍに調整した。

工程（ｌ）の後に、平面２９で主面（００１）に直角にスライシングすれば、ＳＰＭ用カンチレバー１０が完成する。図１のＳＰＭ装置にＳＰＭ用カンチレバー１０を取り付けて、試料Ｓの測定を行う。取り付けの際に、レバー１１の下端に形成される三角柱の突起部１４が試料Ｓに当接しないように、探針１２側を試料Ｓに近づけるように若干傾斜させるとよい。

以上、１個のＳＰＭ用カンチレバーについての一連の製造工程を説明したが、実際の製造工程は、ＳＯＩウエハ単位で行われる、いわゆるバッチ処理である。
図７は、１枚のＳＯＩウエハ１００上の複数の柱状構造体２７の配置を示す上面図である。図７は、上述した工程（ｉ）〜（ｋ）に対応する図として示されている。図７では、図６（ａ）、（ｂ）の線分２５は、Ｘ方向に平行な切断面２５として表わされ、図６（ｅ）の平面２９は、Ｙ方向に平行な切断面２９として表わされている。また、柱状構造体２７について、レバー１１の幅、厚さ、探針１２の長さは、それぞれｗ、ｔ、ｄで表されている。

本実施の形態では、レバー１１の長さ方向はＺ方向であり、上部Ｓｉ層２０の厚さのみに依存するので、正確な長さのレバー１１を作製することができる。また、探針１２は、Ｓｉ単結晶の３つの｛１１１｝で決まる三角錐であるので、再現性、安定性に優れる探針１２が得られる。さらに、１枚のＳＯＩウエハ１００上に多数の柱状構造体２７を高密度に配して材料取りができるので、１枚のＳＯＩウエハ１００からより多くのＳＰＭ用カンチレバー１０を作製することができ、その結果、材料のムダがほとんど生じない。このことは、特にバッチ処理では大幅な製造コストの削減をもたらすものである。

以下、変形例について説明する。図８は、本実施の形態のＳＰＭ用カンチレバーの変形例を説明するための部分断面図である。前述した図５の工程（ｇ）では、面Ｐ１とＰ２の境界部分にナノワイヤー２３が形成され、この横断面形状は、図８（ａ）で示される二等辺三角形である。図８（ｂ）に示されるナノワイヤー２３ａの横断面形状は、面Ｐ２側が主面（００１）に垂直な直角三角形であり、図８（ｃ）に示されるナノワイヤー２３ｂの横断面形状は、２つの斜面が曲面であるが、いずれも本発明に適用できる。

図８（ｂ）の場合は、工程（ｄ）〜（ｆ）の代わりに、面Ｐ１にレジスト層を形成しておき、ＩＣＰ−ＲＩＥにより面Ｐ２をエッチングする。図８（ｃ）の場合は、工程（ｂ）〜（ｆ）の代わりに、工程（ａ）で面Ｐ１とＰ２の境界領域に帯状のレジスト層３１を形成しておき、等方性エッチングをする。いずれの変形例も本実施の形態に比べて製造工程は簡略化されている。

本実施の形態では、ＳＯＩウエハを用いたが、単結晶のＳｉウエハを用いることもできる。Ｓｉウエハを用いる場合は、上述した工程（ｉ）におけるＩＣＰ−ＲＩＥのエッチング作用を停止させる働きをもつＳｉＯ_２層３０が存在しないので、ＩＣＰ−ＲＩＥの条件を制御する必要がある。Ｓｉウエハの{１００}面に対して、１５０μｍのエッチング深さを得るには、例えば、反応ガスとして（ＳＦ_６＋Ｃ_４Ｆ_８）混合ガスを用い、高周波出力６００Ｗで約５０分の処理を行う。Ｓｉウエハは、ＳＯＩウエハよりも安価であり、工程（ｉ）のみを変更するだけで、他の総ての工程は本実施の形態と同様であるので、更なる製造コストの削減が可能となる。

本発明の実施の形態に係るカンチレバーを取り付けたＳＰＭの主要部の構成を模式的に示す概略構成図である。 図２（ａ）は、本実施の形態に係るＳＰＭ用カンチレバーの構造を示す斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＳＰＭ用カンチレバーをＸ方向から見た側面図、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＳＰＭ用カンチレバーをＹ方向から見た正面図である。 図２（ａ）の部分拡大図である。 本発明の実施の形態に係るＳＰＭ用カンチレバーの製造工程（ａ〜ｄ）を説明するための部分斜視図である。 本発明の実施の形態に係るＳＰＭ用カンチレバーの製造工程（ｅ〜ｈ）を説明するための部分斜視図である。 本発明の実施の形態に係るＳＰＭ用カンチレバーの製造工程（ｉ〜ｌ）を説明するための部分斜視図である。 本発明の実施の形態に係る複数のＳＰＭ用カンチレバーの配置を説明するためのウエハ上面図である。 本発明の実施の形態の変形例を説明するための部分断面図である。

符号の説明

１０：ＳＰＭ用カンチレバー
１１：レバー
１２：探針
１３：支持体
１４：ホルダー
２０：上部Ｓｉ層
３０：ＳｉＯ_２層
３０：下部Ｓｉ層
２５：線分（切断面）
２６，２７，２８：柱状構造体
２９：平面（切断面）
１００：ＳＯＩウエハ

Claims (7)

1. レバー部の一端に探針部、他端に支持部が一体に形成された走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを半導体基板から作製する方法であって、
   前記レバー部の長さ方向を前記半導体基板の厚さ方向に選び、前記探針部の長手方向を前記半導体基板の表面と平行に選んで、前記半導体基板を選択的に除去することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法。
2. レバー部の一端に探針部、他端に支持部が一体に形成された走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを半導体基板から作製する方法であって、
   前記半導体基板の厚さ方向にエッチングして前記レバー部の長さを規定する第１の工程と、
   前記第１の工程により露出した前記レバー部の側面をエッチングして前記レバー部の厚さを規定するとともに前記探針部を形成する第２の工程とを有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法。
3. 請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法において、
   前記半導体基板は、ＳＯＩウエハであることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法。
4. 請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法において、
   前記レバー部の長さは、前記ＳＯＩウエハの一方のＳｉ層の厚さに等しいことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法。
5. 請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法において、
   前記半導体基板は、Ｓｉウエハであることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法。
6. 請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法において、
   前記レバー部の長さは、ＩＣＰ−ＲＩＥ法により前記Ｓｉウエハをその厚さ方向に除去した深さに等しいことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法によって作製された走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。

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