JP2005349487A - Fine processing method and device - Google Patents

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Futoshi Iwata
太 岩田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide fine processing of a type in which voltage is applied between working fluid and a workpiece using a combination of a scan type shear force microscope and a hollow probe. <P>SOLUTION: A micro-pipet probe 12, the tip of which is opened, is used as the probe of the scan type shear force microscope. The interior of the probe is filled with plating liquid 48. With the tip of the probe brought into contact with a desired position on the surface of the workpiece 18, voltage is applied between the plating liquid 48 and the workpiece support 16 only for predetermined time. Thus, the surface of the workpiece 18 is subjected to micro-plating processing. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、走査型シェアフォース顕微鏡を用いた微細加工方法及び装置に関するものである。   The present invention relates to a fine processing method and apparatus using a scanning shear force microscope.

走査型プローブ顕微鏡は,微細なプローブを用いてその先端と試料表面の間に働く様々な物理量を検出して,ナノスケールでの高い分解能で前記物理量の表面分布を画像化できる顕微鏡である。この走査型プローブ顕微鏡は,試料表面の観察だけではなくて,ナノスケールの超微細表面加工にも用いられている。このような超微細表面加工は次の非特許文献1,非特許文献2及び特許文献1に記載されている。
角屋ほか,「マイクロピペットプローブを有するSPMによるポリマー表面のナノスケール加工」,2002年度精密工学会秋季大会講演論文集,社団法人精密工学会,平成14年9月,p.149 岩田,「極細なプローブによるナノスケール微細加工法の開発」,超精密位置決め専門委員会前刷集,社団法人精密工学会,平成14年,2002−4(2),p.9−15 特開平9−251979号公報
The scanning probe microscope is a microscope that can detect various physical quantities acting between the tip and the sample surface using a fine probe and can image the surface distribution of the physical quantities with high resolution at a nanoscale. This scanning probe microscope is used not only for observation of the sample surface but also for nanoscale ultrafine surface processing. Such ultra-fine surface processing is described in the following Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, and Patent Document 1.
Kakuya et al., “Nanoscale processing of polymer surface by SPM with micropipette probe”, Proceedings of the 2002 Annual Meeting of Precision Engineering, Japan Society for Precision Engineering, September 2002, p. 149 Iwata, “Development of nano-scale microfabrication methods using ultra-fine probes”, Preprints of the Ultra-precision Positioning Technical Committee, Japan Society for Precision Engineering, 2002, 2002-4 (2), p. 9-15 Japanese Patent Laid-Open No. 9-251979

上述の非特許文献1は,走査型シェアフォース顕微鏡のプローブとして,マイクロピペットプローブを採用している。そして,このマイクロピペットの内部に,試料加工用の試薬溶液(1,4−ジオキサン)を充填して,この試薬をポリカーボネート基板に近接させて,試薬の蒸気により基板を加工している。マイクロピペットプローブは基板に接触することがなく,試薬の蒸気だけで加工をしているので,マイクロピペットプローブのアパーチャサイズ(約300nm)と同程度の分解能で,基板を加工できる。   Non-Patent Document 1 described above employs a micropipette probe as a probe of a scanning shear force microscope. The micropipette is filled with a sample processing reagent solution (1,4-dioxane), the reagent is brought close to the polycarbonate substrate, and the substrate is processed by the vapor of the reagent. Since the micropipette probe does not contact the substrate and is processed only with the vapor of the reagent, the substrate can be processed with the same resolution as the aperture size (about 300 nm) of the micropipette probe.

上述の非特許文献2は,走査型プローブ顕微鏡を用いたナノスケール微細加工法のいくつかを紹介している。その中で本発明に関連が深いものとして,化学的相互作用を用いたナノ加工(ケミカルヴェイパ加工法)の記載がある。この加工法では,シェアフォースモードの走査型顕微鏡のプローブとしてマイクロピペットプローブを採用している。このマイクロピペットプローブに化学試薬溶液を注入して,試薬溶液と被加工物の表面との化学反応により,ナノスケール加工をしている。揮発性のポリマー溶媒試薬を用いた場合,ポリマー表面においてマイクロピペットプローブをナノメートル領域まで接近させると,非接触状態でも溶液の蒸気(ヴェイパ作用)によりピペット先端サイズと同等の精度で加工が可能になる。そして,試薬を含んだ状態のマイクロピペットプローブを用いてプローブと試料間の距離制御を行うことにより,観察モードと加工モードの両方が連続的に選択可能となる。   Non-Patent Document 2 mentioned above introduces some nanoscale microfabrication methods using a scanning probe microscope. Among them, there is a description of nano-processing (chemical vapor processing method) using chemical interaction, which is deeply related to the present invention. In this processing method, a micropipette probe is used as a probe for a scanning force mode scanning microscope. A chemical reagent solution is injected into the micropipette probe, and nanoscale processing is performed by a chemical reaction between the reagent solution and the surface of the workpiece. When a volatile polymer solvent reagent is used, if the micropipette probe is brought close to the nanometer range on the polymer surface, processing can be performed with the same precision as the pipette tip size by vapor of the solution (vaporizer action) even in a non-contact state Become. Then, by controlling the distance between the probe and the sample using a micropipette probe containing a reagent, both the observation mode and the processing mode can be selected continuously.

一方,上述の特許文献1は,走査型プローブ顕微鏡として,光てこ方式の原子間力顕微鏡を用いるものであり,この原子間力顕微鏡のプローブとしてマイクロピペットを採用している。このマイクロピペットの内部に加工液を充填して,被加工物の所望の位置にマイクロピペットを近づけて加工液を排出することで,被加工物の表面にエッチングを施したり,デポジションをしたりすることができる。そして,本発明に関連が深い記述として,めっき加工にも言及している。すなわち,マイクロピペットから金めっき液を被加工物の表面に供給するようにして,マイクロピペットのアルミニウム層と被加工物との間に電流を流せば,金めっき液を活性化することができる。マイクロピペットの構造としては,シリコンウエハから作成したものやガラス管で作成したものを開示している。   On the other hand, Patent Document 1 described above uses an optical lever type atomic force microscope as a scanning probe microscope, and a micropipette is used as a probe of the atomic force microscope. Filling the inside of this micropipette with the processing liquid, bringing the micropipette close to the desired position of the workpiece and discharging the processing liquid allows etching or deposition on the surface of the workpiece. can do. As a description deeply related to the present invention, reference is also made to plating. That is, the gold plating solution can be activated by supplying a gold plating solution from the micropipette to the surface of the workpiece and passing an electric current between the aluminum layer of the micropipette and the workpiece. As the structure of the micropipette, one made from a silicon wafer or one made from a glass tube is disclosed.

上述の非特許文献1と非特許文献2は,走査型シェアフォース顕微鏡とマイクロピペットプローブを組み合わせることで,被加工物の表面を微細加工できるが,マイクロピペット内部の加工液と被加工物との間に電圧を印加して被加工物を加工することは開示していない。一方,特許文献1は,光てこ方式の原子間力顕微鏡とマイクロピペットプローブを組み合わせて,マイクロピペットプローブと被加工物の間に電流を流すことで,被加工物の表面に微細なめっき加工をすることを示唆している。しかし,この特許文献1は光てこ方式の原子間力顕微鏡を用いていて,観察モードではプローブと被加工物との接触圧を一定に制御しながら走査するものであるから,(1)観察モードにしたときに加工液が被加工物表面に付着してしまい,加工位置以外のところでも加工が進行するおそれがある,(2)したがって,加工モードのほかに観察モードを選択することが難しい,(3)加工液が被加工物表面に広がりやすく,加工サイズの制御が難しい,などの問題点がある。   Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 described above can finely process the surface of a workpiece by combining a scanning shear force microscope and a micropipette probe. It does not disclose that a workpiece is processed by applying a voltage therebetween. On the other hand, Patent Document 1 combines an optical lever type atomic force microscope and a micropipette probe, and allows a fine plating process to be performed on the surface of the workpiece by passing an electric current between the micropipette probe and the workpiece. Suggests to do. However, this Patent Document 1 uses an optical lever type atomic force microscope, and in the observation mode, scanning is performed while the contact pressure between the probe and the workpiece is controlled to be constant. (1) Observation mode The machining liquid may adhere to the surface of the workpiece and machining may proceed at a location other than the machining position. (2) Therefore, it is difficult to select the observation mode in addition to the machining mode. (3) There are problems such as that the machining fluid tends to spread on the surface of the workpiece and that the machining size is difficult to control.

本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり,その目的は,走査型シェアフォース顕微鏡と中空プローブの組み合わせを用いて,加工液と被加工物の間に電圧を印加するタイプの微細加工を実現できるような微細加工方法及び装置を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to apply a voltage between a machining fluid and a workpiece using a combination of a scanning shear force microscope and a hollow probe. It is an object of the present invention to provide a microfabrication method and apparatus capable of realizing the above microfabrication.

本発明の微細加工方法は次の(ア)〜(エ)の段階を備えている。(ア)先端が開口した中空プローブを備えた走査型シェアフォース顕微鏡を準備する段階。(イ)前記中空プローブの内部に加工液を充填する段階。(ウ)前記中空プローブの前記先端を被加工物の表面上の所望の位置に接触させる段階。(エ)前記加工液と前記被加工物との間に所定時間だけ電圧を印加して,前記被加工物の表面上に微細な加工を施す段階。   The fine processing method of the present invention includes the following steps (a) to (d). (A) A step of preparing a scanning shear force microscope including a hollow probe having an open tip. (A) A step of filling the hollow probe with a processing liquid. (C) contacting the tip of the hollow probe with a desired position on the surface of the workpiece; (D) A step of applying a voltage between the machining liquid and the workpiece for a predetermined time to perform fine machining on the surface of the workpiece.

前記中空プローブの内部には導電体からなる芯線を設けることができる。この芯線は加工液に接触していて,芯線と被加工物の間に電圧を印加することで加工液と被加工物との間に電圧を印加することができる。   A core wire made of a conductor can be provided inside the hollow probe. The core wire is in contact with the machining fluid, and a voltage can be applied between the machining fluid and the workpiece by applying a voltage between the core wire and the workpiece.

加工液としては金属イオンを含む液体を使用でき,この加工液と被加工物との間に電圧を印加することで被加工物の表面上に微細めっきを施すことができる。   As the processing liquid, a liquid containing metal ions can be used. By applying a voltage between the processing liquid and the workpiece, fine plating can be performed on the surface of the workpiece.

また,微細加工が施された被加工物の表面に対して中空プローブを非接触の状態で走査することにより,走査型シェアフォース顕微鏡を用いて被加工物の表面の加工状態を観察することもできる。すなわち,同じ中空プローブを用いて,加工モードに加えて,観察モードが可能になる。   It is also possible to observe the processing state of the surface of the workpiece using a scanning shear force microscope by scanning the hollow probe in a non-contact state on the surface of the workpiece subjected to micromachining. it can. That is, using the same hollow probe, an observation mode is possible in addition to the processing mode.

本発明の微細加工装置は次の(ア)〜(エ)の構成を備えている。(ア)先端が開口した中空プローブと,試料台と,前記試料台を前記中空プローブに対して相対的に3次元方向に移動させる移動機構とを備える走査型シェアフォース顕微鏡。(イ)前記中空プローブ内に充填された加工液。(ウ)前記試料台に固定されていて被加工物を支持する導電性の被加工物支持体。(エ)前記加工液と前記被加工物支持体との間に電圧を印加できる電気回路。なお,試料台と被加工物支持体は一体に形成されていてもよい。   The microfabrication apparatus of the present invention has the following configurations (a) to (d). (A) A scanning shear force microscope comprising a hollow probe having an open end, a sample stage, and a moving mechanism that moves the sample stage in a three-dimensional direction relative to the hollow probe. (A) A processing liquid filled in the hollow probe. (C) A conductive workpiece support that is fixed to the sample stage and supports the workpiece. (D) An electric circuit capable of applying a voltage between the machining fluid and the workpiece support. Note that the sample stage and the workpiece support may be integrally formed.

本発明の微細加工方法及び装置は,走査型シェアフォース顕微鏡と中空プローブを用いて,中空プローブの内部の加工液と被加工物の間に電圧を印加することで,被加工物の表面を微細加工することができる。   The microfabrication method and apparatus of the present invention uses a scanning shear force microscope and a hollow probe to apply a voltage between the machining liquid inside the hollow probe and the work piece, thereby finely subtracting the surface of the work piece. Can be processed.

以下,図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。図1は微細めっき加工をするための走査型シェアフォース顕微鏡の構成図である。図2はその要部の斜視図である。図1において機械的な構造を図示している部分は正面図である。マイクロピペットプローブを備える走査型シェアフォース顕微鏡の構成は上述の非特許文献1及び非特許文献2に開示されているので,ここでは,その構成を簡単に説明する。図1と図2において,円筒状のプローブ支持体10の中心軸上にマイクロピペットプローブ12が固定されている。このマイクロピペットプローブが本発明における中空プローブに相当する。プローブ支持体10には励振用圧電素子が組み込まれている。この圧電素子の材質はPZTである。この励振用圧電素子の振動によって,マイクロピペットプローブ12は図1の紙面に垂直な方向に振動する。試料台14は圧電素子で駆動される3次元アクチュエータによって,XY方向(水平面内での2次元方向)及びZ方向(上下方向)に所定の移動距離の範囲内で移動できる。試料台14の上面には導電体からなる被加工物支持体16が固定されている。被加工物支持体16の上面には被加工物18を載せることができる。マイクロピペットプローブ12は励振用圧電素子によって水平方向に振動し,その振幅は振幅検出装置で検出される。振幅検出装置はレーザダイオード20と集光レンズ22と2分割フォトダイオード24で構成されている。レーザダイオード20は波長670nmのレーザ光を出射し,このレーザ光26は集光レンズ22でマイクロピペットプローブ12の付近に集光され,そこを通過したレーザ光は2分割フォトダイオード24で集光される。2分割フォトダイオード24の出力はマイクロピペットプローブ12の振動振幅に依存する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a scanning shear force microscope for performing fine plating. FIG. 2 is a perspective view of the main part. In FIG. 1, the part illustrating the mechanical structure is a front view. Since the configuration of the scanning shear force microscope provided with the micropipette probe is disclosed in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 described above, the configuration will be briefly described here. 1 and 2, a micropipette probe 12 is fixed on the central axis of a cylindrical probe support 10. This micropipette probe corresponds to the hollow probe in the present invention. An excitation piezoelectric element is incorporated in the probe support 10. The material of this piezoelectric element is PZT. Due to the vibration of the excitation piezoelectric element, the micropipette probe 12 vibrates in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. The sample stage 14 can be moved within a predetermined moving distance in the XY direction (two-dimensional direction in a horizontal plane) and the Z direction (vertical direction) by a three-dimensional actuator driven by a piezoelectric element. A workpiece support 16 made of a conductor is fixed to the upper surface of the sample stage 14. A workpiece 18 can be placed on the upper surface of the workpiece support 16. The micropipette probe 12 vibrates in the horizontal direction by the exciting piezoelectric element, and the amplitude is detected by an amplitude detector. The amplitude detection device includes a laser diode 20, a condenser lens 22, and a two-divided photodiode 24. The laser diode 20 emits laser light having a wavelength of 670 nm, and this laser light 26 is condensed near the micropipette probe 12 by the condenser lens 22, and the laser light passing therethrough is condensed by the two-divided photodiode 24. The The output of the two-divided photodiode 24 depends on the vibration amplitude of the micropipette probe 12.

次に,走査型シェアフォース顕微鏡の制御系を説明する。図1において,プローブ支持体10に組み込まれた励振用圧電素子には発振器28から発振出力信号29が供給されて,プローブ支持体10は所定の共振周波数で水平方向に振動する。2分割フォトダイオード24の出力信号はマイクロピペットプローブ12の振動振幅に依存しており,この出力信号はI−V変換器30と演算回路32とロックインアンプ34を経て,マイクロピペットプローブ12の振動振幅に変換される。ロックインアンプ34には参照信号33として発振器28の信号が入力されていて,このロックインアンプ34によりノイズが除去される。ロックインアンプ34から出力されるマイクロピペットプローブ12の振動振幅35は制御回路36に入力される。制御回路36ではマイクロピペットプローブ12の振動振幅と所定の基準値とを比較して,振動振幅が基準値に等しくなるようにZ方向指令信号37を出力する。すなわち,振動振幅が基準値よりも大きければ,試料台14を上昇させるように,逆に,振動振幅が基準値よりも小さければ,試料台14を下降させるように,Z方向指令信号37を出力する。Z方向駆動信号はPZTドライバ38のZ方向駆動回路40に入力され,Z方向駆動回路40からは,Z方向のPZTアクチュエータに対して,Z方向駆動信号41が出力される。その結果,試料台14が微小距離だけ上下して,マイクロピペットプローブ12の振動振幅が常に一定に保たれる。マイクロピペットプローブ12の振動振幅は,後述するように,プローブの先端と被加工物18の表面との距離に依存するので,結局,上述のようなZ方向のフィードバック制御により,プローブの先端と被加工物18の表面との距離が一定に保たれる。   Next, the control system of the scanning shear force microscope will be described. In FIG. 1, an oscillation output signal 29 is supplied from an oscillator 28 to the excitation piezoelectric element incorporated in the probe support 10, and the probe support 10 vibrates in the horizontal direction at a predetermined resonance frequency. The output signal of the two-divided photodiode 24 depends on the vibration amplitude of the micropipette probe 12. This output signal passes through the IV converter 30, the arithmetic circuit 32, and the lock-in amplifier 34, and the vibration of the micropipette probe 12. Converted to amplitude. The lock-in amplifier 34 receives the signal from the oscillator 28 as the reference signal 33, and noise is removed by the lock-in amplifier 34. The vibration amplitude 35 of the micropipette probe 12 output from the lock-in amplifier 34 is input to the control circuit 36. The control circuit 36 compares the vibration amplitude of the micropipette probe 12 with a predetermined reference value, and outputs a Z direction command signal 37 so that the vibration amplitude becomes equal to the reference value. That is, the Z direction command signal 37 is output so that the sample stage 14 is raised if the vibration amplitude is larger than the reference value, and conversely, if the vibration amplitude is smaller than the reference value, the sample stage 14 is lowered. To do. The Z direction drive signal is input to the Z direction drive circuit 40 of the PZT driver 38, and the Z direction drive signal 41 is output from the Z direction drive circuit 40 to the Z direction PZT actuator. As a result, the sample stage 14 moves up and down by a minute distance, and the vibration amplitude of the micropipette probe 12 is always kept constant. As will be described later, the vibration amplitude of the micropipette probe 12 depends on the distance between the tip of the probe and the surface of the workpiece 18. The distance from the surface of the workpiece 18 is kept constant.

パーソナルコンピュータ44はPZTドライバ38のXY方向駆動回路42にXY方向指令信号45を出力する。XY方向駆動回路42はそれに応じてXY方向アクチュエータに対してXY方向駆動信号43を出力し,試料台14がXY方向に移動する。これによって,被加工物18の表面上の所望の位置をマイクロプローブピペット12の先端に対向させることができる。Z方向駆動回路40からはZ方向指令信号(これは,被加工物の表面の高さ信号に相当する)がパーソナルコンピュータ44に入力されている。したがって,パーソナルコンピュータ44では,XY方向指令信号に応じたZ方向指令信号の値,すなわち,被加工物表面上の各位置における高さ信号を取得することができ,これに基づいて,被加工物表面の高さ画像を作ることができる。   The personal computer 44 outputs an XY direction command signal 45 to the XY direction drive circuit 42 of the PZT driver 38. The XY direction drive circuit 42 accordingly outputs an XY direction drive signal 43 to the XY direction actuator, and the sample stage 14 moves in the XY direction. Thus, a desired position on the surface of the workpiece 18 can be opposed to the tip of the microprobe pipette 12. From the Z direction drive circuit 40, a Z direction command signal (this corresponds to the height signal of the surface of the workpiece) is input to the personal computer 44. Therefore, the personal computer 44 can acquire the value of the Z direction command signal corresponding to the XY direction command signal, that is, the height signal at each position on the surface of the workpiece, and based on this, the workpiece can be obtained. Surface height images can be created.

図3は走査型シェアフォース顕微鏡の動作原理を示す説明図である。上段のAの状態は,プローブ54の先端と試料56の表面との距離dが十分離れている状態である。このとき,プローブ54は所定の共振周波数で振動していて,その振幅は最大値Wmaxとなる。上段のBの状態は,プローブ54の先端が試料56の表面に近づいて,プローブ54の振動振幅が試料56の影響を受けている状態である。すなわち,共振周波数付近で振動するプローブ54が試料56に近づくと,プローブ54はシェアフォースと呼ばれる横方向の力を受ける。このときの振動振幅はAの状態よりも小さくなる。プローブ54がさらに試料56に近づくと,振動振幅が急激に減衰する。そして,上段のCに示すように,プローブ54の先端が試料56の表面に接触すると,振動振幅はゼロになる。下段のグラフは,横軸にプローブ54の先端と試料56の表面との距離dをとり,縦軸にプローブ54の振動振幅をとったものである。距離dがd1よりも大きいときは,上段のAの状態に相当し,プローブの振動振幅はWmaxである。距離dがd1よりも小さくなっていくと振動振幅は減少していき,この中間状態が上段のBの状態に相当する。距離dがさらに小さくなってゼロに近づくと,振動振幅がゼロになる。これが上段のCの状態に相当する。そして,距離dがd1よりも小さい領域が制御領域であり,この制御領域は,距離dに応じて振動振幅が変化する領域として定義される。この制御領域内の特定の振動振幅値を基準値Wrefとすると,プローブに対して試料を相対的に走査して,振動振幅が常に基準値Wrefに等しくなるように距離dを制御すれば,その距離dの変化によって試料表面の高さ変化を表すことができる。このようにして,試料の表面形状を取得することができる。本発明の実施例では,基準値WrefをWmaxの80%に設定している。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing the operating principle of the scanning shear force microscope. The upper state A is a state in which the distance d between the tip of the probe 54 and the surface of the sample 56 is sufficiently separated. At this time, the probe 54 vibrates at a predetermined resonance frequency, and its amplitude becomes the maximum value Wmax. In the upper B state, the tip of the probe 54 approaches the surface of the sample 56, and the vibration amplitude of the probe 54 is affected by the sample 56. That is, when the probe 54 that vibrates near the resonance frequency approaches the sample 56, the probe 54 receives a lateral force called shear force. The vibration amplitude at this time becomes smaller than the state of A. When the probe 54 further approaches the sample 56, the vibration amplitude is rapidly attenuated. When the tip of the probe 54 comes into contact with the surface of the sample 56 as shown at C in the upper stage, the vibration amplitude becomes zero. The lower graph shows the distance d between the tip of the probe 54 and the surface of the sample 56 on the horizontal axis, and the vibration amplitude of the probe 54 on the vertical axis. When the distance d is larger than d1, it corresponds to the upper state A, and the vibration amplitude of the probe is Wmax. As the distance d becomes smaller than d1, the vibration amplitude decreases, and this intermediate state corresponds to the upper B state. As the distance d becomes smaller and approaches zero, the vibration amplitude becomes zero. This corresponds to the upper C state. A region where the distance d is smaller than d1 is a control region, and this control region is defined as a region where the vibration amplitude changes according to the distance d. If a specific vibration amplitude value in this control region is a reference value Wref, the sample is scanned relative to the probe, and the distance d is controlled so that the vibration amplitude is always equal to the reference value Wref. A change in the height of the sample surface can be expressed by a change in the distance d. In this way, the surface shape of the sample can be acquired. In the embodiment of the present invention, the reference value Wref is set to 80% of Wmax.

プローブを試料に接触した状態から徐々に離していくと,プローブの振動振幅は増加していくが,その上昇曲線58は,距離を小さくしていくときの下降曲線60とは異なっている。すなわち,ヒステリシス特性がある。下降曲線60の傾きは距離制御(高さ制御)の感度を示している。   When the probe is gradually moved away from the state in contact with the sample, the vibration amplitude of the probe increases, but the rising curve 58 is different from the falling curve 60 when the distance is reduced. That is, it has hysteresis characteristics. The slope of the descending curve 60 indicates the sensitivity of distance control (height control).

図4はマイクロピペットプローブの製造方法を示す平面断面図である。マイクロピペットプローブはマイクロピペット引き伸ばし装置によって製造される。この引き伸ばし装置は,第1チャック62と第2チャック64と加熱装置66を備えている。第1チャック62はガラス管68の一端をつかんで図面の左方向に引っ張り力70を付与するものである。第2チャック64はガラス管68の他端をつかんで図面の右方向に引っ張り力72を付与するものである。加熱装置66は,ガラス管68の周囲を取り囲む加熱コイル74と,この加熱コイル74に電力を供給する加熱電源76からなる。二つのチャック62,64によってガラス管68に引っ張り力を付与した状態で,加熱電源76から加熱コイル74に電力を供給して,ガラス管68の中央を加熱すると,ガラス管68の中央が軟化して伸びるとともに,その径が小さくなっていき,ついには中央で分離する。これによって,先端が先細のマイクロピペットプローブが出来上がる。二つのチャック62,64に付与する引っ張り力の強さと,加熱電源76が供給する電力とを調整することで,出来上がるマイクロピペットプローブの先端の開口径を変えることができる。高温にするほど,開口径は小さくなる傾向にある。実施例では,開口径が約200nmのものを使用した。   FIG. 4 is a plan sectional view showing a method for manufacturing a micropipette probe. The micropipette probe is manufactured by a micropipette enlarger. The stretching device includes a first chuck 62, a second chuck 64, and a heating device 66. The first chuck 62 holds one end of the glass tube 68 and applies a pulling force 70 in the left direction of the drawing. The second chuck 64 grasps the other end of the glass tube 68 and applies a pulling force 72 in the right direction of the drawing. The heating device 66 includes a heating coil 74 that surrounds the periphery of the glass tube 68, and a heating power source 76 that supplies power to the heating coil 74. When a tensile force is applied to the glass tube 68 by the two chucks 62 and 64, power is supplied from the heating power source 76 to the heating coil 74 to heat the center of the glass tube 68, and the center of the glass tube 68 is softened. As it grows, its diameter becomes smaller and finally it is separated at the center. This produces a micropipette probe with a tapered tip. By adjusting the strength of the tensile force applied to the two chucks 62 and 64 and the power supplied by the heating power source 76, the opening diameter of the tip of the micropipette probe to be completed can be changed. The higher the temperature, the smaller the opening diameter. In the examples, those having an opening diameter of about 200 nm were used.

図5は出来上がったマイクロピペットプローブ12の概略形状を示す平面図である。プローブ12の先端付近には第1テーパ部77と第2テーパ部78が形成されている。   FIG. 5 is a plan view showing a schematic shape of the completed micropipette probe 12. A first taper portion 77 and a second taper portion 78 are formed near the tip of the probe 12.

図6はマイクロピペットプローブの構造とめっき加工用の電気回路を示す説明図である。図3において,機械的な構造を示す部分は正面図である。中空のマイクロピペットプローブ12の先端付近46は先細のテーパ状になっていて,その先端は開口している。開口径は約200nmである。マイクロピペットプローブの内部にはめっき液48が充填されている。また,マイクロピペットプローブの内部には導電性の芯線50が通っている。マイクロピペットプローブ12の上端からは芯線50が外部に引き出されていて,この芯線50が直流電源52の一端に接続されている。直流電源52の他端は,導電体からなる被加工物支持体16に接続されていて,かつ,接地されている。   FIG. 6 is an explanatory view showing the structure of the micropipette probe and the electric circuit for plating. In FIG. 3, the part showing the mechanical structure is a front view. The vicinity 46 of the tip of the hollow micropipette probe 12 has a tapered shape, and the tip is open. The opening diameter is about 200 nm. The inside of the micropipette probe is filled with a plating solution 48. A conductive core wire 50 passes through the inside of the micropipette probe. A core wire 50 is drawn out from the upper end of the micropipette probe 12, and this core wire 50 is connected to one end of a DC power source 52. The other end of the DC power source 52 is connected to the workpiece support 16 made of a conductor and is grounded.

この実施例では,めっき液48として硫酸銅水溶液を使用しており,このめっき液48はCu2+イオンを含んでいる。被加工物18としてはn型シリコン基板を用いている。めっき液48と被加工物支持体16との間に電圧を印加すると,被加工物18の表面上にCu(銅)が析出される。そのとき,陰極(被加工物)では,図11の(1)式に示すような電気化学反応が生じている。また,陽極(マイクロピペットプローブ内の芯線)では図11の(2)式に示すような電気化学反応が生じている。 In this embodiment, a copper sulfate aqueous solution is used as the plating solution 48, and this plating solution 48 contains Cu 2+ ions. An n-type silicon substrate is used as the workpiece 18. When a voltage is applied between the plating solution 48 and the workpiece support 16, Cu (copper) is deposited on the surface of the workpiece 18. At that time, an electrochemical reaction as shown in the equation (1) in FIG. 11 occurs in the cathode (workpiece). Further, an electrochemical reaction as shown in the expression (2) in FIG. 11 occurs at the anode (core wire in the micropipette probe).

めっき加工の手順は次のとおりである。まず,図6に示すように,めっき液48をマイクロピペットプローブ12の内部に充填する。そして,図1において,パーソナルコンピュータ44からXY方向指令信号45を出力して試料台14をXY方向に動かし,被加工物18の所望の地点(めっき加工をしたい地点)をマイクロピペットプローブ12の真下に持ってくる。次に,制御回路36を加工モードにして,被加工物18がマイクロピペットプローブ12に接触するまで,Z方向指令信号37を出力する。マイクロピペットプローブ12の振動振幅がゼロになったときにプローブ12が被加工物18に接触したものと判断する。マイクロピペットプローブ12が被加工物18に接触したら,図6において,直流電源52の出力電圧を芯線50と被加工物支持体16の間に所定時間だけ印加する。これにより,めっき液48と被加工物18との間に電圧が印加され,被加工物18の表面にめっき膜88が形成される。   The plating process is as follows. First, as shown in FIG. 6, the plating solution 48 is filled into the micropipette probe 12. In FIG. 1, an XY direction command signal 45 is output from the personal computer 44 to move the sample table 14 in the XY direction, and a desired point of the workpiece 18 (a point where plating is desired) is directly below the micropipette probe 12. Bring it to. Next, the control circuit 36 is set to the processing mode, and the Z direction command signal 37 is output until the workpiece 18 contacts the micropipette probe 12. When the vibration amplitude of the micropipette probe 12 becomes zero, it is determined that the probe 12 is in contact with the workpiece 18. When the micropipette probe 12 contacts the workpiece 18, the output voltage of the DC power source 52 is applied between the core wire 50 and the workpiece support 16 for a predetermined time in FIG. 6. As a result, a voltage is applied between the plating solution 48 and the workpiece 18, and a plating film 88 is formed on the surface of the workpiece 18.

図7は本発明のめっき加工によってシリコン基板上に1ドットの銅めっき膜を形成したものについての取得画像の例である。矩形の画像82のサイズは1.8μm×1.8μmであり,その中央に約200nmのサイズのめっき膜80が形成されている。この画像は,めっき加工をしてから,観察モードにして,マイクロピペットプローブをシリコン基板に非接触の状態で走査して取得したものである。めっき膜があるところだけが高くなっており,その高い部分を他の部分から区別して(例えば,着色して)示している。観察モードでの走査条件は図7に示したとおりである。また,めっき条件は,印加電圧が0.2V,電圧の印加時間が6秒である。   FIG. 7 is an example of an acquired image obtained by forming a 1-dot copper plating film on a silicon substrate by plating according to the present invention. The size of the rectangular image 82 is 1.8 μm × 1.8 μm, and a plating film 80 having a size of about 200 nm is formed in the center thereof. This image was obtained by performing plating processing and then switching to the observation mode and scanning the micropipette probe in a non-contact state on the silicon substrate. Only where the plating film is present is high, and the high portion is shown separately from other portions (for example, colored). The scanning conditions in the observation mode are as shown in FIG. The plating conditions are an applied voltage of 0.2 V and a voltage application time of 6 seconds.

図8は図7の画像中のライン79に沿った高さ変化を示したグラフである。横軸はライン79に沿った位置であり,縦軸はシリコン基板表面の高さである。中央付近において207μmの幅で高い部分が観測され,この部分がめっき膜に相当する。   FIG. 8 is a graph showing a change in height along the line 79 in the image of FIG. The horizontal axis is the position along the line 79, and the vertical axis is the height of the silicon substrate surface. A high portion with a width of 207 μm is observed near the center, and this portion corresponds to a plating film.

図9は本発明のめっき加工によってシリコン基板上に9ドットの銅めっき膜を形成したものについての取得画像の例である。矩形の画像84のサイズは8μm×8μmであり,その範囲内に9点のめっき膜86が形成されている。観察モードでの走査条件は図9に示したとおりである。また,めっき条件は,9点のすべてについて,印加電圧が6V,電圧の印加時間が6秒である。   FIG. 9 is an example of an acquired image obtained by forming a 9-dot copper plating film on a silicon substrate by plating according to the present invention. The size of the rectangular image 84 is 8 μm × 8 μm, and nine plating films 86 are formed within the range. The scanning conditions in the observation mode are as shown in FIG. As for the plating conditions, the applied voltage is 6 V and the voltage application time is 6 seconds for all nine points.

図10(A)は印加電圧とめっき膜のドット径との関係を示すグラフである。横軸はめっき回路の印加電圧であり,縦軸は形成されためっき膜のドット径である。電圧印加時間はすべて6秒である。印加電圧が大きくなると,ドット径が大きくなる傾向にある。得られたドット径はおよそ200〜600nmの範囲内にある。   FIG. 10A is a graph showing the relationship between the applied voltage and the dot diameter of the plating film. The horizontal axis is the applied voltage of the plating circuit, and the vertical axis is the dot diameter of the formed plating film. The voltage application time is all 6 seconds. As the applied voltage increases, the dot diameter tends to increase. The dot diameter obtained is in the range of approximately 200-600 nm.

図10(B)は電圧印加時間とめっき膜のドット径との関係を示すグラフである。横軸はめっき回路の電圧印加時間であり,縦軸は形成されためっき膜のドット径である。印加電圧はすべて8Vである。印加時間が増加すると,ドット径が大きくなる傾向にある。得られたドット径はおよそ300〜1000nmの範囲内にある。   FIG. 10B is a graph showing the relationship between the voltage application time and the dot diameter of the plating film. The horizontal axis represents the voltage application time of the plating circuit, and the vertical axis represents the dot diameter of the formed plating film. The applied voltage is all 8V. As the application time increases, the dot diameter tends to increase. The obtained dot diameter is in the range of approximately 300 to 1000 nm.

上述の実施例ではめっき加工として銅めっきの例を示したが,めっき液を変えることで,他の金属めっきも可能である。   In the above embodiment, an example of copper plating is shown as the plating process, but other metal plating is possible by changing the plating solution.

微細めっき加工をするための走査型シェアフォース顕微鏡の構成図である。It is a block diagram of the scanning shear force microscope for performing fine plating processing. 図1に示す走査型シェアフォース顕微鏡の要部の斜視図である。It is a perspective view of the principal part of the scanning shear force microscope shown in FIG. 走査型シェアフォース顕微鏡の動作原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operating principle of a scanning shear force microscope. マイクロピペットプローブの製造方法を示す平面断面図である。It is plane sectional drawing which shows the manufacturing method of a micropipette probe. マイクロピペットプローブの概略形状を示す平面図である。It is a top view which shows schematic shape of a micropipette probe. マイクロピペットプローブの構造とめっき加工用の電気回路を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of a micropipette probe, and the electric circuit for plating. 1点加工の取得画像とその条件を示すものである。The acquired image of one point processing and its conditions are shown. 図7の画像中のラインに沿った高さ変化を示したグラフである。It is the graph which showed the height change along the line in the image of FIG. 9点加工の取得画像とその条件を示すものである。An acquired image of nine-point processing and its conditions are shown. 印加電圧とめっき膜のドット径との関係を示すグラフ,及び,電圧印加時間とめっき膜のドット径との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an applied voltage and the dot diameter of a plating film, and a graph which shows the relationship between a voltage application time and the dot diameter of a plating film. 電気化学反応の反応式である。It is a reaction formula of an electrochemical reaction.

符号の説明Explanation of symbols

10 プローブ支持体
12 マイクロピペットプローブ
14 試料台
16 被加工物支持体
18 被加工物
20 レーザダイオード
24 2分割フォトダイオード
28 発振器
30 I−V変換器
32 演算回路
34 ロックインアンプ
36 制御回路
38 PZTドライバ
40 Z方向駆動回路
42 XY方向駆動回路
44 パーソナルコンピュータ
48 めっき液
50 芯線
52 直流電源
88 めっき膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Probe support body 12 Micropipette probe 14 Sample stage 16 Workpiece support body 18 Workpiece object 20 Laser diode 24 Two-division photodiode 28 Oscillator 30 IV converter 32 Arithmetic circuit 34 Lock-in amplifier 36 Control circuit 38 PZT driver 40 Z direction drive circuit 42 XY direction drive circuit 44 Personal computer 48 Plating solution 50 Core wire 52 DC power supply 88 Plating film

Claims (6)

次の段階を備える微細加工方法。
(ア)先端が開口した中空プローブを備えた走査型シェアフォース顕微鏡を準備する段階。
(イ)前記中空プローブの内部に加工液を充填する段階。
(ウ)前記中空プローブの前記先端を被加工物の表面上の所望の位置に接触させる段階。
(エ)前記加工液と前記被加工物との間に所定時間だけ電圧を印加して,前記被加工物の表面上に微細な加工を施す段階。
A fine processing method comprising the following steps.
(A) A step of preparing a scanning shear force microscope including a hollow probe having an open tip.
(A) A step of filling the hollow probe with a processing liquid.
(C) contacting the tip of the hollow probe with a desired position on the surface of the workpiece;
(D) A step of applying a voltage between the machining liquid and the workpiece for a predetermined time to perform fine machining on the surface of the workpiece.
請求項1に記載の微細加工方法において,前記中空プローブの内部に導電体からなる芯線が通っていて,前記芯線は前記加工液に接触しており,前記芯線と前記被加工物の間に電圧を印加することで前記加工液と前記被加工物との間に電圧を印加することを特徴とする微細加工方法。   2. The microfabrication method according to claim 1, wherein a core wire made of a conductor is passed through the hollow probe, the core wire is in contact with the processing liquid, and a voltage is applied between the core wire and the workpiece. A voltage is applied between the machining fluid and the work piece by applying a micro-machining method. 請求項1または2に記載の微細加工方法において,前記加工液は金属イオンを含む液体であり,前記加工液と前記被加工物との間に電圧を印加することで前記被加工物の表面上に微細めっきを施すことを特徴とする微細加工方法。   3. The micromachining method according to claim 1, wherein the machining liquid is a liquid containing metal ions, and a voltage is applied between the machining liquid and the work piece so that a surface of the work piece is formed. A fine processing method characterized in that fine plating is applied to the surface. 請求項1から3までのいずれか1項に記載の微細加工方法において,微細加工が施された前記被加工物の表面に対して前記中空プローブを非接触の状態で走査することにより,前記走査型シェアフォース顕微鏡を用いて前記被加工物の表面の加工状態を観察することを特徴とする微細加工方法。   4. The micromachining method according to claim 1, wherein the scanning is performed by scanning the hollow probe in a non-contact state with respect to a surface of the workpiece subjected to micromachining. 5. A fine processing method, wherein a processing state of a surface of the workpiece is observed using a type shear force microscope. 次の構成を備える微細加工装置。
(ア)先端が開口した中空プローブと,試料台と,前記試料台を前記中空プローブに対して相対的に3次元方向に移動させる移動機構とを備える走査型シェアフォース顕微鏡。
(イ)前記中空プローブ内に充填された加工液。
(ウ)前記試料台に固定されていて被加工物を支持する導電性の被加工物支持体。
(エ)前記加工液と前記被加工物支持体との間に電圧を印加できる電気回路。
A microfabrication device having the following configuration.
(A) A scanning shear force microscope comprising a hollow probe having an open end, a sample stage, and a moving mechanism that moves the sample stage in a three-dimensional direction relative to the hollow probe.
(A) A processing liquid filled in the hollow probe.
(C) A conductive workpiece support that is fixed to the sample stage and supports the workpiece.
(D) An electric circuit capable of applying a voltage between the machining fluid and the workpiece support.
請求項5に記載の微細加工装置において,前記中空プローブの内部に導電体からなる芯線が配置されていることを特徴とする微細加工装置。   6. The micromachining apparatus according to claim 5, wherein a core wire made of a conductor is disposed inside the hollow probe.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7955486B2 (en) 2007-02-20 2011-06-07 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Electrochemical deposition platform for nanostructure fabrication
EP3150742A1 (en) * 2015-09-29 2017-04-05 ETH Zurich Method for manufacturing a three-dimensional object and apparatus for conducting said method

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JPN6010019774, 岩田太他, "微細加工ツールとしてのプローブ技術", 応用物理, 200604, 第73巻第4号, p.490−493 *
JPN6010019775, 永見信一郎他, "「L63 マイクロピペットを有するSPMによる超微細表面加工法の開発」", 2003年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, p.550 *
JPN6010019776, 角屋陽介他, "「D52 マイクロピペットプローブを有するSPMによるポリマー表面のナノスケール加工」", 2002年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集, p.149 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7955486B2 (en) 2007-02-20 2011-06-07 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Electrochemical deposition platform for nanostructure fabrication
EP3150742A1 (en) * 2015-09-29 2017-04-05 ETH Zurich Method for manufacturing a three-dimensional object and apparatus for conducting said method
WO2017055338A1 (en) * 2015-09-29 2017-04-06 Eth Zurich Method for manufacturing a three-dimensional object and apparatus for conducting said method
US11047057B2 (en) 2015-09-29 2021-06-29 Exaddon Ag Method for manufacturing a three-dimensional object and apparatus for conducting said method

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