JP2006170979A - 走査型探針顕微鏡用センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 走査型探針顕微鏡用センサ及びその製造方法の提供。
【解決手段】 走査型探針顕微鏡用センサは、カンチレバー（３）、保持部材（２）及び電子線蒸着型（以後ＥＢＤと略称する）探針尖端（５）を備えたセンサ尖端（４）を含んで構成し、カンチレバー（３）のそれぞれの端部に保持部材（２）及びセンサ尖端（４）を形成し、ＥＢＤ探針尖端（５）はセンサ尖端（４）の基部に直に固定され、ＥＢＤ探針先端（５）はセンサ尖端（４）の基部の一部を除去して形成した孔（６）に噛み合って固定されることを特徴としている。その製造方法はホトリソグラフィーのエッチング工程によるか又は粒子線照射による材料の除去後に、センサ尖端（４）の孔（６）にＥＢＤ探針尖端（５）を粒子線蒸着により形成する工程を含むことを特徴としている。
【選択図】図２

Description

本発明はカンチレバー、カンチレバーの一端部に構成した保持部材、カンチレバーの他端部に構成したセンサ尖端及びセンサ尖端から突出している少なくとも部分的に円筒状に形成した電子線蒸着型探針尖端を有する走査型探針顕微鏡用センサ及びその製造方法に関する。

微小センサにより試料の表面を原子レベルの解像度で測定する走査型探針顕微鏡は周知で実用化されている。走査型探針顕微鏡には、周知の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）及び走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）も含んでいる。走査型探針顕微鏡は、一端部に保持部材、他端部にセンサ尖端を有する微小カンチレバー（以後カンチレバーと略す）を用い、試料を走査するようになっている。走査型探針顕微鏡においては、試料の表面との相互作用が可能となるまで走査尖端を試料に近づける。走査尖端と表面間に作用する原子間力によりセンサのカンチレバーが曲折する。この曲折を検出することにより試料の表面の形状及びその他の特性を測定することができる。

解像度は試料の表面と相互作用している探針尖端の形状により決まる。走査型探針顕微鏡による測定結果には、走査型探針顕微鏡センサ（以後ＳＰＭセンサと略す）の形状及び試料の表面形状が常に反映される。センサ尖端は、製造上の制約によりピラミッド状、円錐状又は円筒状を呈し、その高さはマイクロメータのオーダー（通常は５−２０）で開口角は通常２０ないし７０度である。試料の表面の形状を測定する場合、この種のセンサの最大解像力は１ないし数ナノメーターの範囲にある。ＳＰＭセンサの形状に拠る制約のため、特に高いアスペクト比の際立った形状及び構造を有する探針においては、表面の実際の形状の再現はできない。センサ尖端の開口角を小さくすることにより、センサの解像度が大幅に改善され微細な構造及び溝を検出できる。付加的に針状の探針尖端（以後ＥＢＤ探針尖端と称す）をセンサ尖端の側面に析出させて、センサ尖端の実効開口角を小さくして解像度を改善することは周知である。真空において探針尖端を電子で照射することにより（汚染物質、気体原子又は分子、通常は炭素又は有機炭素化合物などの）物質が照射部に析出し、上記ＥＢＤ探針尖端が生成される。この効果は電子線照射による析出（ＥＢＩＤ又はＥＢＤと略す）と呼ばれ、周知の技術である。

探針又はＥＢＤ探針尖端を用いて試料の表面を走査すると、ＥＢＤ探針尖端に大きな力が作用する。この力に耐え且つ生成した探針尖端の寿命を長く保つためは、針状のＥＢＤ探針尖端をＳＰＭセンサ尖端に強固に結合させる必要がある。特許文献１はＳＰＭセンサ尖端に電子線照射に基づく析出によりＥＢＤ探針尖端を成長させ固定／定着する方法を開示している。時には、更に電子照射して物質をセンサ尖端の表面に析出させ且つ測定尖端を側面から支持するように生成した支持構造によりＥＢＤ探針尖端を安定化させる。このように形成したセンサを使用した結果は、この固定方法によっては成長したＥＢＤ探針尖端は十分には安定化されず、測定中にＥＢＤ探針尖端がセンサ尖端の表面からしばしば剥離することが判明している。

特許文献２はそのセンサ尖端にカーボンナノチューブとして形成した探針尖端を有するＳＰＭセンサを開示している。ナノチューブは独自の方法で形成され、センサ尖端の基部の孔に固定される。ナノチューブは円筒状で通常１−１０ｎｍの径を有している。電子線による被覆、又は電子線又は電流による溶融によって固定してもよい。

特許文献３は径１−１０ｎｍのカーボンナノチューブを固定するための「ナノホール」をＳＰＭセンサの基部に形成する方法を開示している。ここでは、先ずナノチューブの径より大きな孔を形成し、孔の壁をコーティングしてナノチューブの径に適合させている。
独国特許出願公開第１９８２５４０４Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第１２７８０５５Ａ１号明細書 国際公開第００／１９４９４号パンフレット

本発明は、上記課題を解決し、極めて安定且つ耐久性、従って寿命の長い析出ＥＢＤ探針尖端を提供することにある。

上記課題は本発明に基づく請求項１の特徴を有するＳＰＭセンサ及び請求項７の特徴を有する方法により解決する。その発展形態は従属請求項から推定できる。

すなわち下記の構成により課題が解決される。

（１）カンチレバー、保持部材、センサ尖端及び電子線蒸着型探針尖端を含んで構成する走査型探針顕微鏡用センサであって、前記保持部材及び前記センサ尖端を前記カンチレバーのそれぞれの端部に配置し、前記センサ尖端より突出させて少なくとも一部を円筒状に形成した前記電子線蒸着型探針尖端は前記センサ尖端の基部に直に固定されていることを特徴とする走査型探針顕微鏡用センサ。

（２）前記電子線蒸着型探針尖端は前記センサ尖端の基部に噛み合って完全に固定されていることを特徴とする前記（１）に記載の走査型探針顕微鏡用センサ。

（３）前記センサ尖端は前記電子線蒸着型探針尖端を固定する孔を備えていることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の走査型探針顕微鏡用センサ。

（４）前記電子線蒸着型探針尖端を固定する前記孔は前記センサ尖端の中心軸からずれて配置されていることを特徴とする前記（３）に記載の走査型探針顕微鏡用センサ。

（５）前記電子線蒸着型探針尖端は前記孔の底面及び／又は側面に固定されていることを特徴とする前記（３）又は（４）に記載の走査型探針顕微鏡用センサ。

（６）前記電子線蒸着型探針尖端は前記孔直に電子線蒸着されていることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の走査型探針顕微鏡用センサ。

（７）カンチレバー、保持部材、センサ尖端及び電子線蒸着型探針尖端を含んで構成し、前記保持部材及び前記センサ尖端を前記カンチレバーのそれぞれの端部に形成し、前記センサ尖端より突出させて少なくとも一部を円筒状に形成した前記電子線蒸着型探針尖端を備えた走査型探針顕微鏡用センサの製造方法であって、
ａ）前記電子線蒸着型探針尖端以外の前記カンチレバー、前記保持部材、前記センサ尖端を有する走査型探針顕微鏡用センサを準備する工程、
ｂ）走査型探針顕微鏡用センサの前記センサ尖端の基部の一部を除去して孔を形成する工程及び、
ｃ）粒子線照射により前記電子線蒸着型探針尖端を形成する工程、
を含んで構成し、前記電子線蒸着型探針尖端を前記孔の底部から形成し始め、前記センサ尖端の基部に直に固定するようにしたことを特徴とする走査型探針顕微鏡用センサの製造方法。

本発明により、極めて安定した析出ＥＢＤ探針尖端を提供することが可能となった。更に本発明により、耐久性を備えた、従って寿命の長いＥＢＤ探針尖端を製造することが可能となった。

本発明によればＥＢＤ探針尖端は直にセンサ尖端の基部に固定される。ＥＢＤ探針尖端の析出は、センサ尖端の表面ばかりでなく、センサ尖端の基部の孔の内部でも開始する。

本発明の好適な実施例においては、ＥＢＤ探針尖端はセンサ尖端の基部と噛み合うか又は完全に固定される。ＥＢＤ探針尖端の固定は安定しているので、ＥＢＤ探針尖端をセンサ尖端の表面に側面より支える固定又は支持構造を追加する必要はない。

本発明は、ＥＢＤ探針尖端を固定する孔を備えたセンサ尖端を提供する。ＥＢＤ探針尖端はその孔と噛み合って嵌合している。孔の側面はＥＢＤ探針尖端を受け、走査の際に生ずるせん断力を吸収するようになっている。ＥＢＤ探針尖端を固定する孔はセンサ尖端の中心軸に合わせるか又はずらしてもよい。

本発明によれば、ＥＢＤ探針尖端は孔の底面及び／又は側面において固定される。照射により孔の底面及び側面に析出が始まり、孔に直にＥＢＤ探針尖端が形成される。これによりＥＢＤ探針尖端とセンサ尖端の間に噛み合い結合が形成される。

本発明の方法によるセンサは次のように形成される。

ＥＢＤ探針尖端の形成及び固定するために、周知の方法により、通常はシリコン、窒化シリコン及びガラス、しかしエポキシ樹脂、金属又はカーボンから製造したＥＢＤ探針尖端形成前のＳＰＭセンサを準備する。

先ず、ＥＢＤ探針尖端を固定するために、センサ尖端の基部に孔を形成する。工業的な孔の形成方法は２つある。孔はホトリソグラフィー及びそれに続くエッチングによるか、レーザー光線又は粒子線により材料を除去して形成してもよい。選択した方法により探針の表面又は所望の形状を有する所望の基部に約１００ｎｍ（１０−１００ｎｍ）の径を有する孔を形成する。第一の方法においては、例えば酸化シリコン及び／又は窒化シリコン及び／又はホトレジストから成る単層又は多層のＳＰＭセンサを形成している。ホトリソグラフィーの工程により、センサ尖端上のホトレジストに開口部が生成される。湿式又は乾式化学除去法又は湿式に次ぐ乾式化学除去法又は乾式に次ぐ湿式化学除去法により、ＥＢＤ探針尖端を固定する孔が形成される。粒子線を用いる際には、荷電した電子又はイオンを加速し、加工すべきセンサ尖端の表面に焦点を結ぶようにする。加速されたイオンと基部の表面の原子との相互作用により、基部の表面の原子が分離される。気体を補助的に用いると、エッチング工程の電子照射のエネルギーが誘発され、材料が除去されるようになる。

次いで、粒子線が誘発する物質の析出が孔から開始され、ＥＢＤ探針尖端が形成される。この物質の析出は気体誘発型工程に基づいており、基部の表面の所定の位置に極めて正確に構造を形成できる。気体誘発型工程では導入手段を介して気体を加えている。このようにして、物質を選択することにより、成長する構造の特性（例えば、硬さ、導電性）が決まる。析出した構造の位置、寸法及び形状は粒子線の走査領域及び処理時間により決まる。照射が誘発する物質の析出により、予め形成した孔に所定の形状の構造が成長する。その際、孔が充填され、センサ尖端上に配置するＥＢＤ探針尖端用の埋込み基部が形成され、ＥＢＤ探針尖端の安定性を高める。析出構造と予め形成した孔の底面及び側面間とが噛み合うことにより、析出したＥＢＤ探針尖端はＳＰＭセンサのセンサ尖端と安定した結合を形成する。

本発明による方法は任意の形状及び探針尖端の任意の位置に適用できる。探針尖端はピラミッド状、円筒状又は円錐状に形成でき、その末端は尖った角又は平面でもよい。探針尖端を介在せずにカンチレバー上に構造を形成できる。粒子線による製造方法を用いると、孔の形成及びＥＢＤ探針尖端の析出時に、センサ尖端に対して任意の角度で配列する構造を形成できる。孔とＥＢＤ探針尖端がセンサ尖端の中心軸に平行に配列した構成の他に、孔及び／又はＥＢＤ探針尖端がセンサ尖端の中心軸に対して傾斜した構成も可能である。例えば、孔がセンサ尖端の中心軸に平行で、ＥＢＤ探針尖端が中心軸に対して傾いた実施形態とか、又は孔がセンサ尖端の中心軸に対して傾き、ＥＢＤ探針尖端が中心軸に平行な形態、又は孔とＥＢＤ探針尖端が傾いている形態が可能である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は本発明による走査型探針顕微鏡用センサ（以下ＳＰＭセンサと略す）を模式的に示す斜視図である。走査型探針顕微鏡用のＳＰＭセンサ１はカンチレバー３、カンチレバー３の一端部に配置した保持部材２、カンチレバー３の他端部に配置したセンサ尖端４及びセンサ尖端４から突出している電子線蒸着型探針尖端５（以下ＥＢＤ探針尖端と略す）を含んで構成している。保持部材２は、走査型探針顕微鏡の測定ヘッド（不図示）にＳＰＭセンサ１を保持且つ固定するために用いる。カンチレバー３はセンサ尖端４を支え、そのセンサ尖端４に試料（不図示）の表面を走査するＥＢＤ探針尖端５を固定している。保持部材２、カンチレバー３及びセンサ尖端４はシリコンから一体的に製造するか又は２つ以上の部品としてシリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、ガラス、金属、炭素及び／又はエポキシ樹脂から製造する。センサ尖端４の基部の孔６はＥＢＤ探針尖端５と噛み合い及び／又は一体的且つ完全に固定するように嵌合している。孔６はセンサ尖端４の基部の一部を除去することにより形成している。孔６はセンサ尖端４の中心軸と同心状且つ平行に、円形状に形成することが好ましい。孔６はセンサ尖端４の中心軸からずらすか及び／又は傾いて形成してもよい。

図３にＥＢＤ探針尖端５をセンサ尖端４の中心軸からずらして配置した実施例を示す。

図４には台部７を有するセンサ尖端４を示す。センサ尖端４の台部７には孔６及びＢＥＤ探針尖端５を配置している。

図５はセンサ尖端４を有していない実施例を示し、カンチレバー３の基部に直にＥＢＤ探針尖端５を固定している。

ＥＢＤ探針尖端を有するＳＰＭセンサを示す斜視図 ＳＰＭセンサのピラミッド状のセンサ尖端を示す模式図 センサ尖端の中心軸よりずらし配置したＥＢＤ探針尖端を有するセンサ尖端を示す模式図 台部を有するピラミッド状のセンサ尖端を示す模式図 カンチレバー上に配置したＥＢＤ探針尖端を有するピラミッド状の先端の無いセンサ尖端を示す模式図

符号の説明

１ ＳＰＭセンサ
２ 保持部材
３ カンチレバー
４ センサ尖端
５ ＥＢＤ探針尖端
６ 孔
７ 台部

Claims (7)

1. カンチレバー（３）、保持部材（２）、センサ尖端（４）及び電子線蒸着型探針尖端（５）を含んで構成する走査型探針顕微鏡用センサであって、保持部材（２）及びセンサ尖端（４）をカンチレバー（３）のそれぞれの端部に配置し、センサ尖端（４）より突出させて少なくとも一部を円筒状に形成した電子線蒸着型探針尖端（５）はセンサ尖端（４）の基部に直に固定されていることを特徴とする走査型探針顕微鏡用センサ。
2. 電子線蒸着型探針尖端（５）はセンサ尖端（４）の基部に噛み合って完全に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の走査型探針顕微鏡用センサ。
3. センサ尖端（４）は電子線蒸着型探針尖端（５）を固定する孔（６）を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の走査型探針顕微鏡用センサ。
4. 電子線蒸着型探針尖端（５）を固定する孔（６）はセンサ尖端（４）の中心軸からずれて配置されていることを特徴とする請求項３に記載の走査型探針顕微鏡用センサ。
5. 電子線蒸着型探針尖端（５）は孔（６）の底面及び／又は側面に固定されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の走査型探針顕微鏡用センサ。
6. 電子線蒸着型探針尖端（５）は孔（６）に直に電子線蒸着されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の走査型探針顕微鏡用センサ。
7. カンチレバー（３）、保持部材（２）、センサ尖端（４）及び電子線蒸着型探針尖端（５）を含んで構成し、保持部材（２）及びセンサ尖端（４）をカンチレバー（３）のそれぞれの端部に形成し、センサ尖端（４）より突出させて少なくとも一部を円筒状に形成した電子線蒸着型探針尖端（５）を備えた走査型探針顕微鏡用センサの製造方法であって、
   ａ）電子線蒸着型探針尖端（５）以外のカンチレバー（３）、保持部材（２）、センサ尖端（４）を有する走査型探針顕微鏡用センサ（１）を準備する工程、
   ｂ）走査型探針顕微鏡用センサ（１）のセンサ尖端（４）の基部の一部を除去して孔（６）を形成する工程及び、
   ｃ）粒子線照射により電子線蒸着型探針尖端（５）を形成する工程、
   を含んで構成し、電子線蒸着型探針尖端（５）を孔（６）の底部から形成し始め、センサ尖端（４）の基部に直に固定するようにしたことを特徴とする走査型探針顕微鏡用センサの製造方法。

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