JP2007120965A - 計測プローブ及び計測プローブの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カンチレバーに対して垂直方向に高い探針を備える計測プローブ及びこのような探針を容易に形成することができる計測プローブの製造方法を提供すること。
【解決手段】計測プローブ１は、導電性ポリマーを含むカンチレバー２と、カンチレバー２の固定端２ａが接続されてカンチレバー２を片持ち支持する基部３とを備えている。カンチレバー２は、固定端２ａが基部３に接続される一方、自由端２ｂがカンチレバー２の軸線方向及び面内方向に対して垂直方向のそれぞれに対して先鋭に形成されている。カンチレバー２の固定端２ａと自由端２ｂとの間には湾曲部（曲げ部）２Ａが配されており、固定端２ａ側の面内方向に対して自由端２ｂ側が垂直方向に曲げられて探針５となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、計測プローブ及び計測プローブの製造方法に関する。

半導体等の表面における極微細領域の特性を計測するために使用される走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）等における計測プローブには、カンチレバーの自由端となる先端に、試料との間に物理的相互作用を起こさせるための探針が形成されている。

一般的にこのようなカンチレバー及び探針は、シリコン基板の表面を加工して形成される。この際、カンチレバーの面内方向に対して探針を垂直方向に立設させるもの（例えば、特許文献１，２参照。）がある一方、立設された探針の製造の困難さや、形成後の後工程における探針の保護の必要性に伴う制約等を避けるために、カンチレバーの自由端を先鋭化させてそのまま探針とするもの（例えば、特許文献３参照。）も提案されている。

特許文献１，２の場合では、シリコン基板に対して、異方性ウェットエッチングや、反応性イオンエッチングによる等方性ドライエッチングによってシリコン層をエッチングして垂直方向に立設した探針を製造している。
特開平４−２３１８１１号公報 特許第３６００４３３号公報 特開２０００−２６６６５９号公報

しかしながら、上記特許文献３に記載の場合では、カンチレバーの軸線が直線状となっているので、計測プローブによる計測方法によっては、探針が試料となす角度に制約が生じてしまい、十分な物理的相互作用を起こさせられない場合がある。また、特許文献１，２に記載の場合では、探針の高さを、例えば、３０μｍから１００μｍまでの範囲にするためには、異方性ウェットエッチングや反応性ドライエッチングによるエッチングをかなり深く行う必要がある。この際、反応性ドライエッチングでは、エッチングスピードが遅く、プロセス時間が長大になる。これを回避するために高額な高速エッチング装置を導入せざるを得ず、結果的に製造コストが上昇する。さらに、エッチングする際に基板から除去する部分が多く、量産時のプロセス負荷や環境負荷が大きい。また、探針の上述した高さを保持したまま後工程を行うのは、プロセス上の難易度が大きい。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、カンチレバーに対して垂直方向に高い探針を備える計測プローブ及びこのような探針を容易に形成することができる計測プローブの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る計測プローブは、ポリマーを含むカンチレバーを備え、該カンチレバーが先鋭に形成され、前記カンチレバーの固定端と自由端との間に曲げ部が配されて、前記自由端側が前記固定端側の面内方向に対して垂直方向に曲げられていることを特徴とする。

また、本発明に係る計測プローブの製造方法は、カンチレバーの自由端を先鋭化する工程と、前記自由端側を前記カンチレバーの固定端側の面内方向に対して垂直方向に曲げて前記自由端を探針とする工程とを備えていることを特徴とする。

また、本発明に係る計測プローブの製造方法は、請求項７に記載の計測プローブの製造方法であって、前記カンチレバーがポリマーを備え、前記自由端を探針とする工程が、前記カンチレバーの前記自由端側を自重により湾曲させることを特徴とする。

また、本発明に係る計測プローブの製造方法は、請求項７に記載の計測プローブの製造方法であって、前記カンチレバーがポリマーを備え、前記自由端を探針とする工程が、前記カンチレバーの前記自由端側を加熱して湾曲させることを特徴とする。

この発明は、カンチレバーがポリマーを含んでいるので、カンチレバーの先鋭な自由端側を固定端側に対して曲げることができ、自由端側をカンチレバーに立設された探針として使用することができる。

また、本発明に係る計測プローブは、請求項１に記載の計測プローブであって、前記ポリマーよりも大きい膜応力を有する薄膜が前記カンチレバーに配され、前記曲げ部における曲げ状態を形成していることを特徴とする。

また、本発明に係る計測プローブの製造方法は、請求項７に記載の計測プローブの製造方法であって、前記カンチレバーがポリマーを備え、前記自由端を探針とする工程が、前記カンチレバーの前記自由端側を加熱して湾曲させることを特徴とする。

この発明は、薄膜が有する残留応力によって曲げ部を形成させることができるとともに、曲げ部における曲げ角度を保持固定することができる。

また、本発明に係る計測プローブは、請求項２に記載の計測プローブであって、前記薄膜が圧電体であることを特徴とする。
また、本発明に係る計測プローブの製造方法は、請求項１０に記載の計測プローブの製造方法であって、前記薄膜が圧電体であることを特徴とする。

この発明は、薄膜に印加する電圧を制御することによって、曲げ部に所望の大きさの応力を加えることができ、曲げ部を所望の角度に保持固定することができる。また電圧を変動させることによって、カンチレバーの自由端側を固定端側に対して曲げ駆動させることができる。

また、本発明に係る計測プローブは、請求項１に記載の計測プローブであって、前記曲げ部が、前記カンチレバーの剛性を低減する切込み部と、該切込み部における前記カンチレバーの剛性を維持する支持部とを備えていることを特徴とする。

また、本発明に係る計測プローブは、請求項４に記載の計測プローブであって、前記切込み部が櫛歯構造となっていることを特徴とする。

また、本発明に係る計測プローブの製造方法は、請求項７に記載の計測プローブの製造方法であって、前記自由端を探針とする工程が、前記カンチレバーに櫛歯構造の切込み部と、該切込み部における前記カンチレバーの剛性を維持する支持部とを形成することを特徴とする。

この発明は、切込み部において自由端側と固定端側とを折り曲げることができ、より容易に自由端側を固定端側に対して所望の角度に屈曲させることができる。また、屈曲後のカンチレバーの屈曲状態を支持部によって維持することができる。

また、本発明に係る計測プローブは、請求項１から５の何れか一つに記載の計測プローブであって、前記カンチレバーの歪みを検知する検知手段が前記カンチレバーに配されていることを特徴とする。

また、本発明に係る計測プローブの製造方法は、請求項７から１１の何れか一つに記載の計測プローブの製造方法であって、前記カンチレバーの歪みを検知する検知手段を前記カンチレバーに配する工程を備えていることを特徴とする。

この発明は、カンチレバーの歪みを検知手段によって自己検知することができ、レーザを使用しなくてもカンチレバーの撓み量を把握することができる。

本発明によれば、曲げ部の位置及び曲げ角度を調整することにより、カンチレバーに対して垂直方向に任意の高さの高い探針を備えることができる。

本発明に係る第１の実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
本実施形態に係る計測プローブ１は、図１に示すように、導電性ポリマーを含むカンチレバー２と、カンチレバー２の固定端２ａが接続されてカンチレバー２を片持ち支持する基部３とを備えている。カンチレバー２は、固定端２ａが基部３に接続される一方、自由端２ｂがカンチレバー２の軸線方向及び面内方向に対して垂直方向のそれぞれに対して先鋭に形成されている。カンチレバー２の固定端２ａと自由端２ｂとの間には湾曲部（曲げ部）２Ａが配されており、固定端２ａ側の面内方向に対して自由端２ｂ側が垂直方向に曲げられて探針５となっている。

この計測プローブ１の製造方法について図２を用いて説明する。
本実施形態に係る計測プローブ１の製造方法は、カンチレバー２の自由端２ｂを先鋭化する工程（Ｓ１１）と、自由端２ｂ側をカンチレバー２の固定端２ａ側の面内方向に対して垂直方向に湾曲させて自由端２ｂを探針５とする工程（Ｓ１２）とを備えている。

まず、カンチレバー２の自由端２ｂを先鋭化する工程（Ｓ１１）について説明する。
図３（ａ）に示すように、絶縁性を有する内部酸化層６を持ついわゆるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板７の表面７ａにフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによってパターニングを施して、図３（ｂ）に示すようなカンチレバーエッチング用マスク８を形成する。この際使用されるＳＯＩ基板７は、Ｓｉからなる支持層１０に内部酸化層６としてＳｉＯ_２が積層され、さらに活性層として導電性のポリマー層１１が積層されて表面となっている。

次に、カンチレバーエッチング用マスク８をＳＯＩ基板７の表面に配置する。そして、図示しないリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ：reactive on Etching）装置を用いてエッチングを行い、図３（ｃ）に示すように、ポリマー層１１からカンチレバー２となる部分を形成する。引き続き、図４（ａ）に示すように、カンチレバーエッチング用マスク８から露出したカンチレバー２の自由端２ｂとなる部分のポリマー層１１をエッチングする。この際、マイクロローディング効果により、図４（ｂ）に示すように、自由端２ｂが面内方向のみならず、図４（ｃ）に示すように、深さ方向にもエッチングされてテーパ状に先鋭化される。

エッチング後、カンチレバーエッチング用マスク８を除去して、ＳｉＯ基板７の裏面７ｂ側をパターニングすることによって裏面７ｂ側から支持層１０をエッチングして基部３を形成し、さらに、内部酸化層６をエッチングして、カンチレバー２を片持ち状態とする。

続いて、自由端２ｂ側をカンチレバー２の固定端２ａ側に対して垂直方向に湾曲させて自由端２ｂを探針５とする工程（Ｓ１２）に移行する。
ここでは、カンチレバー２の自由端２ｂ側を自重により湾曲させる。

即ち、図５（ａ）に示すように、得られたカンチレバー２の上下方向を変えてポリマー層１１が下層側となるように配置する。この状態で自由端２ｂ側の下方からの支持を取り外して所定の時間だけ放置する。これによって、図５（ｂ）に示すように、カンチレバー２の自由端２ｂ側がその自重によって下方に向って湾曲する。
こうして図１に示すように、自由端２ｂが探針５となったカンチレバー２及び計測プローブ１が得られる。

この計測プローブ１及びその製造方法によれば、導電性ポリマー層１１を含むカンチレバー２の先鋭な自由端２ｂを曲げることによって、自由端２ｂをカンチレバー２に立設された探針５として使用することができる。従って、エッチングによらなくても湾曲部２Ａの位置及び湾曲部２Ａにおける湾曲角度を調整することにより、カンチレバー２の固定端２ａ側の面内方向に対して任意の高さで垂直方向に高い探針５を備えることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について図６を参照して説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第１の実施形態と同様の計測プローブの製造方法において、カンチレバー２の自由端２ｂ側を固定端２ａ側の面内方向に対して垂直方向に湾曲させて自由端２ｂを探針５とする工程（Ｓ２２）が、カンチレバー２の自由端２ｂ側を加熱して湾曲させるとした点である。

この計測プローブの製造方法は、まず、第１の実施形態と同様に、カンチレバー２の自由端２ｂを先鋭化する工程（Ｓ１１）を行う。
続いて、自由端２ｂを探針５とする工程（Ｓ２２）として、カンチレバー２の自由端２ｂ側を加熱して湾曲させる。

即ち、自由端２ｂを先鋭化した後、第１の実施形態と同様に得られたカンチレバー２を配置する。この状態で自由端２ｂから所定の距離だけ固定端２ａ側に離間した湾曲部２Ａとなる部位を中心に所定の温度で加熱する。
この加熱によって加熱部分が軟化するため、加熱部分よりも自由端２ｂ側が自重により第１の実施形態の場合よりも早い段階で湾曲して湾曲部２Ａを形成する。こうして、第１の実施形態と同様に、図１に示すような自由端２ｂが探針５となったカンチレバー２が得られる。

この計測プローブ及びその製造方法によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、加熱することによって、計測プローブの製造時間を短縮することができ、製造コストを下げることができる。

次に、本発明の第３の実施形態について図７から図９を参照して説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第３の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る計測プローブ２０のカンチレバー２の湾曲部２Ａに、図７に示すように、カンチレバー２が有する導電性ポリマーよりも大きい膜応力を有する薄膜２１が配されているとした点である。

この薄膜２１は、例えば、チタン（Ｔｉ）薄膜からなり、導電性ポリマーよりも大きい膜応力を有する。湾曲部２Ａは、薄膜２１の残留応力によって、カンチレバー２の固定端２ａに対して薄膜２１が成膜されている方向に自由端２ｂ側を曲げて湾曲部２Ａを形成し、かつ、湾曲部２Ａの湾曲状態を維持固定している。

次に、本実施形態に係る計測プローブ２０の製造方法について説明する。
本実施形態では、図８に示すように、第１の実施形態と同様のカンチレバー２の自由端２ｂを先鋭化する工程（Ｓ１１）と、カンチレバー２の自由端２ｂ側を固定端２ａ側の面内方向に対して垂直方向に湾曲させて自由端２ｂを探針５とする工程（Ｓ３２）とを備えている。自由端２ｂを探針５とする工程（Ｓ３２）では、カンチレバー２の自由端２ｂと固定端２ａとの間に、カンチレバー２よりも大きい膜応力を有する薄膜２１を形成する。

即ち、まず、第１の実施形態と同様に、カンチレバー２の自由端２ｂを先鋭化する工程（Ｓ１１）を行って、図９（ａ）に示す状態とする。
続いて、自由端２ｂを探針５とする工程（Ｓ３２）として、図９（ｂ）に示すように、カンチレバー２の自由端２ｂと固定端２ａとの間に、カンチレバー２よりも大きい膜応力を有する薄膜２１を成膜する。このとき、成膜後の薄膜２１の残留応力が大きいので、図９（ｃ）に示すように、薄膜２１が成膜されている方向にカンチレバー２の自由端２ｂ側が湾曲する。薄膜２１は成膜後に安定しているので、湾曲状態が維持され、図７に示すように、カンチレバー２を有する計測プローブ２０が得られる。

この計測プローブ２０及びその製造方法によれば、薄膜２１が有する残留応力によって湾曲部２Ａを形成させることができるとともに、湾曲部２Ａにおける曲げ角度を保持固定することができ、自由端２ｂを探針５とすることができる。

次に、本発明の第４の実施形態について図１０を参照して説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第４の実施形態と第３の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る計測プローブのカンチレバーに配された薄膜が圧電体であるとした点である。この圧電体は、図示しない電気配線を介して図示しない電源と接続されている。

この計測プローブの製造方法は、図１０に示すように、第１の実施形態と同様のカンチレバー２の自由端２ｂを先鋭化する工程（Ｓ１１）と、カンチレバー２の自由端２ｂ側を固定端２ａ側の面内方向に対して垂直方向に湾曲させて自由端２ｂを探針５とする工程（Ｓ４２）とを備えている。

自由端２ｂを探針５とする工程（Ｓ４２）では、カンチレバー２の自由端２ｂと固定端２ａとの間に、圧電体を形成し、圧電体を成膜後、計測プローブにて試料を計測する際、図示しない電源から所定の大きさの電圧を圧電体に印加する。これにより、圧電体へ任意の圧力を加えて変形して湾曲部を形成し、湾曲部を任意の角度に調整して固定保持する。

この計測プローブ及びその製造方法によれば、薄膜である圧電体に印加する電圧を制御することによって、湾曲部に所望の大きさの応力を加えることができ、湾曲部を所望の角度に保持固定することができる。また、電圧を変動させることによって、カンチレバーの自由端側を固定端側に対して湾曲駆動させることができる。

次に、本発明の第５の実施形態について図１１及び図１２を参照して説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第５の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る計測プローブ３０のカンチレバー３１に、図１１（ａ）に示すように、カンチレバー３１の剛性を低減する切込み部３２と、切込み部３２におけるカンチレバー３１の剛性を維持する支持部３３Ａ，３３Ｂとを備えた屈曲部（曲げ部）３５が配されているとした点である。

切込み部３２は櫛歯構造とされ、自由端側櫛歯端面３２ａと固定端側櫛歯端面３２ｂとが互いに噛合されている。支持部３３Ａ，３３Ｂは、自由端側櫛歯端面３２ａと固定端側櫛歯端面３２ｂとが噛合されて屈曲した状態で互いに離間しないようにするため、カンチレバー３１の切込み部３２の両側面にそれぞれ配されている。なお、探針５の表面を導電性を有するものとした場合には、支持部３３Ａ，３３Ｂは導電性を有しないものとする。

次に、本実施形態に係る計測プローブ３０の製造方法について説明する。
本実施形態では、図１２に示すように、第１の実施形態と同様のカンチレバー２の自由端２ｂを先鋭化する工程（Ｓ１１）と、カンチレバー２の自由端２ｂ側を固定端２ａ側の面内方向に対して垂直方向に湾曲させて自由端２ｂを探針５とする工程（Ｓ５２）とを備えている。
自由端３１ｂを探針５とする工程（Ｓ５２）では、カンチレバー３１に櫛歯構造の屈曲部３５を形成する。

即ち、まず、第１の実施形態と同様に、カンチレバー３１の自由端３１ｂを先鋭化する工程（Ｓ１１）を行う。
この際、カンチレバー３１の自由端３１ｂを形成するだけでなく切込み部３２も形成するために、所定形状にパターニングされた図示しないカンチレバーエッチング用マスクをポリマー層の表面に載置する。

この状態で、図示しないＲＩＥ装置を用いてエッチングを行い、カンチレバーエッチング用マスクから露出したカンチレバー３１の自由端３１ｂとなる部分のポリマー層をテーパ状にエッチングする。この際、自由端３１ｂを探針５とする工程（Ｓ５２）として、自由端側櫛歯端面３２ａと固定端側櫛歯端面３２ｂとが互いに噛み合う櫛歯構造の切込み部３２を形成する。

そして、切込み部３２にてカンチレバー３１の自由端３１ｂ側を固定端３１ａ側に対して所定の角度に屈曲する。その状態で切込み部３２の屈曲状態を維持するために、支持部３３Ａ，３３Ｂを切込み部３２の両側面にそれぞれ配設する。
こうして、図１１（ａ）に示すような計測プローブ３０を得る。

この計測プローブ３０及びその製造方法によれば、切込み部３２において自由端３１ｂ側と固定端３１ａ側とを折り曲げることができ、より容易に自由端３１ｂ側を固定端３１ａ側に対して屈曲させることができる。また、支持部３３Ａ，３３Ｂが配されているので、固定端３１ａに対して自由端３１ｂの角度を所望の角度に固定維持することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、カンチレバーの歪みを検知する検知手段としてピエゾ抵抗体を湾曲部や切込み部などの曲げ部に配しても構わない。

この場合、カンチレバーの曲げ部となる部位にイオン注入法やイオン拡散法等によって不純物をドーピングしてピエゾ抵抗体を形成する。そしてポリマー層の上に絶縁膜を形成してピエゾ抵抗体への電気配線を形成する。これによって、カンチレバーの撓みをピエゾ抵抗体によって検知することができ、自己検知型カンチレバーとして使用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る計測プローブを示す側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る計測プローブの製造方法を示すフロー図である。 本発明の第１の実施形態に係る計測プローブの製造方法を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る計測プローブの製造方法を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る計測プローブの製造方法を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る計測プローブの製造方法を示すフロー図である。 本発明の第３の実施形態に係る計測プローブを示す側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る計測プローブの製造方法を示すフロー図である。 本発明の第３の実施形態に係る計測プローブの製造方法を示す説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る計測プローブの製造方法を示すフロー図である。 本発明の第５の実施形態に係る計測プローブを示す（ａ）側面図、（ｂ）要部平面図である。 本発明の第５の実施形態に係る計測プローブの製造方法を示すフロー図である。

符号の説明

１，３０ 計測プローブ
２，３１ カンチレバー
２ａ，３１ａ 固定端
２ｂ，３１ｂ 自由端
２Ａ 湾曲部（曲げ部）
５ 探針
２１ 薄膜
３２ 切込み部
３３Ａ，３３Ｂ 支持部
３５ 屈曲部（曲げ部）

Claims (13)

1. ポリマーを含むカンチレバーを備え、
   該カンチレバーが先鋭に形成され、
   前記カンチレバーの固定端と自由端との間に曲げ部が配されて、前記自由端側が前記固定端側の面内方向に対して垂直方向に曲げられていることを特徴とする計測プローブ。
2. 前記ポリマーよりも大きい膜応力を有する薄膜が前記カンチレバーに配され、前記曲げ部における曲げ状態を形成していることを特徴とする請求項１に記載の計測プローブ。
3. 前記薄膜が圧電体であることを特徴とする請求項２に記載の計測プローブ。
4. 前記曲げ部が、前記カンチレバーの剛性を低減する切込み部と、該切込み部における前記カンチレバーの剛性を維持する支持部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の計測プローブ。
5. 前記切込み部が櫛歯構造となっていることを特徴とする請求項４に記載の計測プローブ。
6. 前記カンチレバーの歪みを検知する検知手段が前記カンチレバーに配されていることを特徴とする請求項１から５の何れか一つに記載の計測プローブ。
7. カンチレバーの自由端を先鋭化する工程と、
   前記自由端側を前記カンチレバーの固定端側の面内方向に対して垂直方向に曲げて前記自由端を探針とする工程とを備えていることを特徴とする計測プローブの製造方法。
8. 前記カンチレバーがポリマーを備え、
   前記自由端を探針とする工程が、前記カンチレバーの前記自由端側を自重により湾曲させることを特徴とする請求項７に記載の計測プローブの製造方法。
9. 前記カンチレバーがポリマーを備え、
   前記自由端を探針とする工程が、前記カンチレバーの前記自由端側を加熱して湾曲させることを特徴とする請求項７に記載の計測プローブの製造方法。
10. 前記カンチレバーがポリマーを備え、
    前記自由端を探針とする工程が、前記カンチレバーの前記自由端と前記固定端との間に、前記カンチレバーよりも大きい膜応力を有する薄膜を形成することを特徴とする請求項７に記載の計測プローブの製造方法。
11. 前記薄膜が、圧電体であることを特徴とする請求項１０に記載の計測プローブの製造方法。
12. 前記自由端を探針とする工程が、前記カンチレバーに櫛歯構造の切込み部と、該切込み部における前記カンチレバーの剛性を維持する支持部とを形成することを特徴とする請求項７に記載の計測プローブの製造方法。
13. 前記カンチレバーの歪みを検知する検知手段を前記カンチレバーに配する工程を備えていることを特徴とする請求項７から１２の何れか一つに記載の計測プローブの製造方法。
    
    

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