JP2007155492A - 温度測定用プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】 ＳＰＭにおいてアスペクト比の高い凹凸を有する試料の温度特性および表面形状を精度よく測定し、正確な温度特性や観察像を得ることができるプローブを提供する。
【解決手段】 本発明は、カンチレバー２２の先端に温度を測定するための温度測定用素子を形成した温度測定用プローブ１であって、温度測定用素子がカンチレバー２２に形成された第１の金属構造体２９および第２の金属構造体３０で構成され、第１の金属構造体２９の先端部と第２の金属構造体３０の先端部が重なる形で接続されることで形成されており、且つその接続部直上に先端部が先鋭化されるとともに基部が棒状に形成され、試料上を走査される探針２１が形成されていることとした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、試料表面の微小領域での熱物性を測定するための温度測定用プローブおよび温度測定装置に関する

現在、試料表面におけるナノメートルオーダの微小な領域を観察するための顕微鏡は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ ＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が使われている。このＳＰＭの中でも、先端部にプローブを設けたカンチレバーを走査プローブとして使用する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が、特に注目されている。この原子間力顕微鏡は、カンチレバーのプローブを試料表面に沿って走査し、試料表面と探針との間に発生する原子間力（引力または斥力）をカンチレバーの撓み量として検出することにより、試料表面の形状測定が行われる。カンチレバーには、その撓み量の測定方法の違いから光てこ式と自己検知型のものがある。このような走査型プローブ顕微鏡において、近年、試料表面の凹凸形状とともに試料表面の微小領域での温度分布を測定する方法が提案されている（例えば、特許文献１または２参照。）。
特開平８−１０５８０１号公報 特開２００１−４４５５号公報

しかしながら、上述の特許文献１のプローブにおいては、シリコン基板をエッチング等することにより錘状の凹溝を形成し、この凹溝の形状にそって探針が形成されるため、この技術においては、製作プロセス上の制約により、探針の形状は根本部分の径が大きく、先端が尖っている錐状になる。そのため、アスペクト比（（探針の高さ）／（探針の根本部分の径））の高い探針の形成が困難になるという問題があった。

このようなアスペクト比の低い探針を用いると、例えば、略垂直な面を有する表面形状を観察する際に、錐状の探針の側面が上記略垂直な面と接触してしまい、正確な表面形状および温度分布が観察できないという問題があった。

また、特許文献２のプローブにおいては、ニッケル細線をカンチレバー及び探針として用いるので、探針の根元部分の径は大きくなってしまうためアスペクト比の高い探針とすることが困難であった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、アスペクト比の高い凹凸を有する試料の表面形状を感度良く観察することが可能であるとともに、試料の温度特性を検出することが可能であるプローブを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。

本発明のプローブは表面に絶縁層を有するカンチレバーと、カンチレバーの上面に設けられ、カンチレバーの先端部に第１の端部を有する第１の金属構造体と、カンチレバーの上面に設けられ、第１の端部の上面に設けられた第２の端部を有する第２の金属構造体と、第２の端部の上面に設けられ、棒状に形成された基部と、尖鋭化された先端部とを有する探針と、を有し、カンチレバーの先端部に設けられ、カンチレバーの基端部に設けられた第１の電極に接続された、第１の金属構造体と、第１の金属構造体の上面に設けられ、カンチレバーの基端部に第１の電極に離間して設けられた第２の電極に接続された、第２の金属構造体と、からなる温度測定用素子と、温度測定用素子の上面に設けられ、棒状に形成された基部と、尖鋭化された先端部とを有する探針と、を有することとした。

この発明に係るプローブによれば、探針が温度測定用素子の直上に配設されているので、試料の表面形状を測定するとともに試料の温度特性を正確に測定することができる。また、基部から先端部にかけてその形状が柱状であるためアスペクト比の高い探針とすることができ、それゆえにアスペクト比の高い凹凸に対して正確に追従し測定することができる。

また、上記のプローブにおいて、探針が第２の金属構造体と同じ材料からなることが好ましい。

この発明に係わるプローブによれば、探針を構成する材料と第１の金属構造体を構成する材料が同一であることから探針と第１の金属構造体の接続部で異種材料が接合部を形成することによる温度特性の測定誤差を生じてしまうことも無く、安定した測定結果を得ることができる。

また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、温度特性測定用プローブと、探針を試料の被測定面に接近させて試料表面を走査することにより試料表面形状に応じて変位する探針の変位データを検出する変位検出手段と、探針を試料に対して相対的に試料の表面に平行で、互いに直交する二方向の走査及び試料の表面に垂直方向の移動を行う移動手段と、温度測定用素子の熱起電力検出する熱起電力検出部と、を備える。

この発明に係わる走査型プローブ顕微鏡によれば、アスペクト比が高く、温度測定用素子と試料表面形状測定を行う探針を兼ねたプローブを搭載している。このため、アスペクト比が高い凹凸を表面に有する試料表面微小領域の形状および温度分布、熱特性を感度良く測定することができる。

また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、探針を振動用周波数で共振または強制振動させる加振手段を備え、変位検出手段は、探針の振動状態を検出する振動検出手段である。

この発明に係わる走査型プローブ顕微鏡によれば、ＤＦＭモードなどのカンチレバーを振動させて試料の表面形状を測定する場合において、カンチレバーの共振周波数が高まり、試料との相互作用を感度良く測定することができる。

また、本発明のプローブは、変位検出手段をカンチレバー内に設ける。

また、さらには変位検出手段はピエゾ抵抗素子であることとした。

この発明にかかわるプローブによればカンチレバーにレーザ光を反射させる反射面を設ける必要がないので、カンチレバーの形状に制限を受ける必要がなく、プローブの設計の自由度が向上し、製造し易い。また、レーザ光源等の大がかりな装置が不要なので、装置コスト及び装置スペースの削減を図ることができる。

また、本発明のプローブは、シリコン基板を切欠いて、カンチレバーを形成する工程と、カンチレバーの上面に絶縁膜を形成する工程と、カンチレバーの先端部側の絶縁膜の上面に、第１の金属構造体の第１の端部を形成し、第１の端部の上面に第２の金属構造体の第２の端部を形成して、温度測定用素子を形成する工程と、温度測定用素子の上面に電鋳法によって探針を形成する工程と、探針の先端部を電解研磨によって先鋭化させる工程と、シリコン基板を切欠いて、カンチレバーの基端部側に本体部を形成する工程と、からなることとした。

この発明に係わる温度測定用プローブの製造方法によれば、探針を電鋳法によって形成することで、従来の製造方法で困難であったアスペクト比が高い探針を精度良くかつ容易に製造することが可能となる。

また、電界研磨などの手法を用いて先鋭化することで更に試料表面微小領域の温度特性や凹凸を高い分解能にて観察することが可能になる。

本発明によれば、アスペクト比が高くかつ先鋭化された探針とすることができる。このため、アスペクト比の高い凹凸を有する試料表面の微小領域の形状および温度分布、熱特性を精度よく測定することができる。

以下に本願発明の実施の形態について説明する。

図１から図１２は、この発明に係る一実施形態を示している。図１に走査型プローブ顕微鏡のブロック図を示す。図２にプローブの斜視図、図３に平面図、図４に断面図を示す。図５から図１２にはプローブの製造工程の工程図を示す。

図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡１は、試料１００を支持する試料支持部９と、試料１００を移動させる試料移動手段３と、試料移動手段３によって試料１００の試料上面Ｓ上を相対的に走査される探針２１を有するプローブ２０と、プローブ２０の探針２１をカンチレバー２２が共振または強制振動する周波数で振動させる加振手段５１とを備えている。プローブ２０は、探針２１が先端部に突出して設けられるカンチレバー２２と、カンチレバー２２の基端部を先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３とを備えている。

試料移動手段３は、試料支持部９を支持し、試料上面Ｓに平行で互いに直交する２方向であるＸ、Ｙ方向及び試料上面Ｓに垂直な方向であるＺ方向に移動する試料移動手段３と、試料移動手段３を駆動させる駆動装置４とを備える。より詳しくは、試料移動手段３は、試料１００をＸ、Ｙ、Ｚ方向に粗動移動させる粗動機構及び微小移動させるＸＹスキャナ、及びＺスキャナとで構成される。粗動機構に対応する駆動装置４としては、例えばステッピングモータなどである。また、ＸＹスキャナ及びＺスキャナに対応する駆動装置４としては、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなる圧電素子であり、電圧が印加されると、電圧印加量及び極性等に応じて試料１００をＸＹＺ方向に微小移動させることが可能である。また、加振手段５１は、プローブ２０に接続され所定の周波数及び振幅で振動するようにプローブ２０を加振するＰＺＴからなる圧電素子と、圧電素子に電圧を印加して圧電素子を振動させる加振電源５とを備える。

さらに、図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡１は、加振手段５１によって加振されたプローブ２０の探針２１の振動状態を検出する変位検出手段６を備える。変位検出手段６は、探針２１の裏面に形成された反射面（例えば、金やアルミニウム等の金属材料をコーティングして形成：図示しない）にレーザ光を照射するレーザ光源と、レーザ光源の電源であるレーザ電源と、反射面で反射したレーザ光を検出するフォトダイオードとを備えている。フォトダイオードで検出されるレーザ光は、ＤＩＦ信号として出力され、プリアンプで増幅され、交流−直流変換器によって直流変換され、コンピュータ７に送られる。コンピュータ７には、Ｚ電圧フィードバック回路が備えられており、コンピュータ７に入力されたＤＩＦ信号に基づいて試料移動手段３のＺスキャナに電圧を印加して試料１００をＺ方向に微小移動させる。

また、図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡１は、プローブ２０に接続され、探針２１で発生する熱起電力を測定する温度特性検出手段８とを備える。また、コンピュータ７は、前述のように駆動装置４、加振電源５、変位検出手段６、及び温度特性検出部８と接続されている。

以上の構成により、走査型プローブ顕微鏡１は、以下に示すように、試料１００の表面形状及び温度特性を測定する。まず、コンピュータ７による制御のもとに加振電源５で加振手段５１を振動させるとともに、変位検出手段６からプローブ２０のカンチレバー２２の反射面にレーザ光を照射させる。カンチレバー２２は加振手段５１から伝達される振動によって上下に振動し、これによりカンチレバー２２で反射され変位検出手段６のフォトダイオードで検出されるレーザ光は一定の振幅及び周波数の振動波形を形成する。この状態で、コンピュータ７による制御のもと、駆動装置４を駆動させて、試料１００をＸ、Ｙ方向に走査させて試料１００の表面形状及び温度特性を測定する。プローブ２０の探針２１が走査された位置に凹凸があると、変位検出手段６のフォトダイオードで検出されるレーザ光の振動振幅が減衰される。この振動振幅は、ＤＩＦ信号としてプリアンプで増幅され、交流−直流変換器によって直流変換され、コンピュータ７に入力される。コンピュータ７には前述のＺ電圧フィードバック回路が備えられており、ＤＩＦ信号化された振動振幅がしきい値を超えた場合、入力されたＤＩＦ信号に基づいて駆動装置４を駆動させ、振動振幅がしきい値内で一定となるように試料移動手段３をＺ方向に移動し、調整する。これを駆動装置４によって試料１００をＸ、Ｙ方向に移動させて、繰り返すことによって試料１００の表面形状の測定を行う。

さらに、試料１００の表面形状の測定と平行して、探針２１に発生する熱起電力を測定する。これらの試料１００の表面形状及び温度特性の測定結果は、試料１００のＸ、Ｙ方向の走査位置とともにコンピュータ７によって表示される。

次に、このような走査型プローブ顕微鏡１に搭載されるプローブ２０の詳細の構成について説明する。
図２はプローブ２０の全体斜視図であるが、走査型プローブ顕微鏡１に搭載される向きと上下逆となるように記載されている。

図２に示すように、プローブ２０は、第１の金属構造体２９と第２の金属構造体３０と、先端部が先鋭化されるとともに基部が棒状に形成された探針２１と、探針２１が先端部に突出して設けられたカンチレバー２２と、カンチレバー２２の基端部を先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３とを備える。カンチレバー２２及び本体部２３は、シリコン基板、特に、シリコンからなるシリコン活性層２４及びシリコン支持層２５と、シリコン活性層２４とシリコン支持層２５とに介装され、ＳｉＯ２からなるＢＯＸ層２６とを貼り合わせたＳＯＩ基板２７（Silicon on Insulator）から形成されている。

また、図３及び図４（図３におけるＡ−Ａ断面）に示すとおり、カンチレバー２２の表面には、絶縁膜２８が形成され、絶縁膜２８上において先端部から基端部にかけて第1の金属構造体２９および第２の金属構造体３０が形成されている。絶縁膜２８は、ＳｉＯ２からなるシリコン酸化膜である。また、第１の金属構造体２９はクロム、第２の金属構造体３０はニッケルからなる金属膜である。なお、第１の金属構造体と第２の金属構造体は、それぞれクロム、ニッケルに限ること無く、金、白金、白金ロジウム、ニクロム、クロメル、アルメルなど、熱電対を形成できる材料であれば良い。探針２１は、カンチレバー２２の表面の先端部、第1の金属構造体２９の第１の端部２９１、および第２の金属構造体配線３０の第２の端部３０１が重なる形で形成された接続部分上に突出して設けられている。探針２１は、ニッケルで形成されており、導電性を有している。なお、探針２１を形成する材料は、ニッケルに限らず、後述する電鋳法で形成可能な材料であれば良く、例えば、金、銅、ロジウム、パラジウム、タングステンなどでもよい。

この実施形態のプローブ２０では、探針２１が、電鋳によって第２の金属構造体３０の第２の端部３０１上に直接形成されているため、探針２１先端の温度が、第１の金属構造体２９の第１の端部２９１と第２の金属構造体３０の第２の端部３０１が重なる形で形成された接続部に、ロスが少ない状態伝わるために図１に示す温度特性検出手段８によって試料１００の温度特性を測定することができる。また、探針２１は先端部が先鋭化されるとともに基部が棒状に形成されているので、アスペクト比の高い探針とすることができる。このため、試料１００がアスペクト比の高い凹凸を有する表面形状であったとしても、探針２１が凹凸に対して正確に追従し、凹凸の深さ、幅を高い精度で測定し、正確な観察像を得ることができる。さらに、凹凸の深い部分の温度特性の測定も可能となる。

次に、この実施形態のプローブ２０の製造方法について説明する。前述のとおり、プローブ２０のカンチレバー２２及び本体部２３は、シリコン活性層２４、ＢＯＸ層２６、シリコン支持層２５から構成されるＳＯＩ基板２７から形成される。ここで、シリコン活性層２４の厚さはカンチレバー２２の厚さに設定され、また、ＢＯＸ層２６及びシリコン支持層２５の厚さは本体部２３の厚さに設定されている。以下、順に説明する。
図５（ａ）から（ｃ）に示すように、カンチレバー形成工程において、カンチレバー２２を形成する。まず、図５（ａ）のように、フォトリソグラフィ技術によって、カンチレバー２２を形成する範囲にフォトレジスト膜３２を形成する。そして、図５（ｂ）に示すとおり、フォトレジスト膜３２をマスクとして、シリコン活性層２４をＢＯＸ層２６に達するまでエッチングすることで、カンチレバー２２となる部分の周囲のシリコン活性層２４を切欠く。そして、フォトレジスト膜３２を除去することで、図５（ｃ）に示すとおり、カンチレバー２２が形成される。フォトレジスト膜としては、ポジ型でもネガ型でも良い。カンチレバー２２をエッチングする方法としては、ドライエッチングでもウェットエッチングでもいずれの方法でも良いが、ドライエッチングが好適である。ドライエッチングであれば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）やＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）などがある。またウェットエッチングであれば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）等のアルカリ性エッチャントによる異方性エッチングなどがある。

次に、図６（ａ）に示すように、絶縁膜形成工程において、カンチレバー２２の表面上に絶縁膜２８を形成する。絶縁膜２８は熱酸化法によって形成される。また、この際、カンチレバー２２の裏面側、つまりシリコン支持層２５の表面のうち、本体部２３となる部分にも酸化膜３３を形成する。すなわち、図６（ａ）に示すように、シリコン支持層２５の表面の全面に、絶縁膜２８を形成するのと同時に酸化膜３３を形成する。次に、図６（ｂ）に示すように、本体部２３の裏面の部分及びカンチレバー２２が形成された側の全体をフォトレジスト膜３４でパターニングする。そして、図６（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜３４がパターニングされた部分以外の酸化膜３３をフッ酸によって除去し、最後に、図６（ｄ）に示すように、フォトレジスト膜３４を除去する。

次に、図７（ａ）から図７（ｃ）に示すように、温度測定用素子形成工程において、絶縁膜２８上に第1の金属構造体２９および第２の金属構造体配線３０を形成する。まず、図７（ａ）に示すように、第1の金属構造体２９となる部分以外の部分をフォトレジスト膜３５でパターニングする。次に、図７（ｂ）に示すように、クロム膜をスパッタリング法によって全面に形成する。そして、図７（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜３５を除去することによって第1の金属構造体２９が形成される。

なお、第１の金属構造体２９となるクロム膜を形成する方法は、スパッタリング法に限らず、蒸着法としても良い。また、あらかじめ全体にスパッタリング法あるいは蒸着法によってクロム膜を成膜し、第１の金属構造体２９となる部分にフォトレジスト膜をパターニングする。つづいてフォトレジスト膜が形成されていない部分のクロム膜をエッチングにより除去することで第１の金属構造体２９を形成する方法としても良い。

次に、第１の金属構造体２９の形成する方法と同様に第２の金属構造体３０を形成する。図８（ａ）から（ｃ）に示すように、第２の金属構造体３０となる部分以外の部分をフォトレジスト膜３６でパターニングする。次に、図８（ｂ）に示すように、ニッケル膜をスパッタリング法によって全面に形成する。そして、図８（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜３６を除去することによって第２の金属構造体３０が形成される。なお、第１の金属構造体３０となるニッケル膜を形成する方法は、スパッタリング法に限らず、蒸着法としても良い。

次に探針形成工程において、第1の金属構造体２９の第１の端部２９１および第２の金属構造体配線３０の第２の端部３０１が重なる形で形成された接続部分上に探針２１を形成する。探針形成工程は、基部形成工程と、先端部先鋭化工程の２工程で構成される。図９（ａ）から（ｃ）は、基部形成工程を示している。まず、図９（ａ）に示すように、カンチレバー２２側全体に探針２１の高さと略等しい厚さのフォトレジスト膜３７を形成する。フォトレジスト膜３７としては、ポジレジストとネガレジストがあるが、紫外線、電子ビームあるいはレーザ等で照射された部分のパターンが残るネガレジストが好適であり、例えば、ＳＵ−８（化薬マイクロケム株式会社製ＳＵ−８シリーズ）などがある。そして、探針２１の位置に、基部の断面形状と等しくなるようにマスキングする。ここでは、基部の断面形状が円状であるので、円状にマスキングする。そして、図９（ｂ）に示すように、フォトレジスト膜３７を露光し、現像液を滴下して、未露光範囲を溶かし込む。次に、図９（ｃ）に示すように、第２の金属構造体３０を一方の電極として電解液に浸潤させて、電鋳法によりニッケルを空洞部分に電鋳することで、探針２１の基部と研磨しろを含んだものとが形成される。

次に、図１０（ａ）に示すように、フォトレジスト膜３７から露出する探針２１の先端部を電解研磨によって、研磨しろを研磨し、先鋭化させる。最後に、図１０（ｂ）に示すように、フォトレジスト膜３７を除去すれば、先端部が先鋭化され、基部が棒状である探針２１が形成される。

次に、図１１（ａ）から（ｃ）に示すように、本体部形成工程において、本体部２３を形成する。まず、図１１（ａ）に示すように、探針２１、第1の金属構造体２９および第２の金属構造体配線３０が配設されたカンチレバー２２を保護するため、カンチレバー２２側の全面にフォトレジスト膜３８を形成する。次に、図１１（ｂ）に示すように、絶縁膜形成工程で形成した酸化膜３３をマスクとして、本体部２３以外のシリコン支持層２５をエッチングする。この場合、ドライエッチングでもウェットエッチングでもいずれでも構わないが、ウェットエッチングが好適である。そして、図１１（ｃ）に示すように、フッ酸によってＳｉＯ２層である酸化膜３３及び本体部２３以外のＢＯＸ層２６を除去し、フォトレジスト膜３８を除去すれば、図１２に示すプローブ２０が製作される。

図１３から図２４は、この発明に係る一実施形態を示している。図１３に走査型プローブ顕微鏡のブロック図を示す。図１４にプローブの斜視図、図１５から図２３にはプローブの製造工程の工程図を示す。図２４は本実施形態のカンチレバーの基部にスリットを形成した例を示している。この実施形態において前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１３に示すように、本実施の形態における走査型プローブ顕微鏡２は、試料１００を支持する試料支持部９と、試料１００を移動させる試料移動手段３と、試料移動手段３によって試料１００の試料上面Ｓ上を相対的に走査される探針２１を有するプローブ２０１と、プローブ２０１の探針２１をカンチレバー２２が共振または強制振動する周波数で振動させる加振手段５１とを備えている。プローブ２０１は、探針２１が先端部に突出して設けられるカンチレバー２２と、カンチレバー２２の基端部を先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３とを備えている。

試料移動手段３は、試料支持部９を支持し、試料上面Ｓに平行で互いに直交する２方向であるＸ、Ｙ方向及び試料上面Ｓに垂直な方向であるＺ方向に移動する試料移動手段３と、試料移動手段３を駆動させる駆動装置４とを備える。より詳しくは、試料移動手段３は、試料１００をＸ、Ｙ、Ｚ方向に粗動移動させる粗動機構及び微小移動させるＸＹスキャナ、及びＺスキャナとで構成される。粗動機構に対応する駆動装置４としては、例えばステッピングモータなどである。また、ＸＹスキャナ及びＺスキャナに対応する駆動装置４としては、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなる圧電素子であり、電圧が印加されると、電圧印加量及び極性等に応じて試料１００をＸＹＺ方向に微小移動させることが可能である。また、加振手段５１は、プローブ２０１に接続され所定の周波数及び振幅で振動するようにプローブ２０１を加振するＰＺＴからなる圧電素子と、圧電素子に電圧を印加して圧電素子を振動させる加振電源５とを備える。

また、探針２１の変位を測定する変位検出手段６０はカンチレバー２２の基端部に備えられカンチレバーの撓みを検出するピエゾ抵抗素子により検出した抵抗変化に基づいて探針の変位を測定するものとした。

図１４はプローブ２０１の全体平面図であるが、走査型プローブ顕微鏡２に搭載される向きと上下逆となるように記載されている。

図１４に示すように、プローブ２０１は、第１の金属構造体２９と第２の金属構造体３０と、先端部が先鋭化されるとともに基部が棒状に形成された探針２１と、探針２１が先端部に突出して設けられたカンチレバー２２と、カンチレバー２２の基端部を先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３とを備える。カンチレバー２２の基端部には、カンチレバーの撓みを検出するピエゾ抵抗素子４０が形成され、カンチレバー２２の本体部２３にはピエゾ抵抗素子４０の抵抗変化を検出するためのピエゾ抵抗素子用電極配線４１および４２が形成されている。カンチレバー２２及び本体部２３は、シリコン基板、特に、シリコンからなるシリコン活性層２４及びシリコン支持層２５と、シリコン活性層２４とシリコン支持層２５とに介装され、ＳｉＯ２からなるＢＯＸ層２６とを貼り合わせたＳＯＩ基板２７（Silicon on Insulator）から形成されている。

次に、この実施形態のプローブ２０１の製造方法について説明する。図１６および図１８は図１４のＢ−Ｂ´断面図であり、図１５、図１７、および図１９から図２３は図１４のＡ−Ａ´断面図である。

前述のとおり、プローブ２０１のカンチレバー２２及び本体部２３は、シリコン活性層２４、ＢＯＸ層２６、シリコン支持層２５から構成されるＳＯＩ基板２７から形成される。ここで、シリコン活性層２４の厚さはカンチレバー２２の厚さに設定され、また、ＢＯＸ層２６及びシリコン支持層２５の厚さは本体部２３の厚さに設定されている。以下、順に説明する。

図１５（ａ）から（ｃ）に示すように、カンチレバー形成工程において、カンチレバー２２を形成する。まず、図１５（ａ）のように、フォトリソグラフィ技術によって、カンチレバー２２を形成する範囲にフォトレジスト膜３２を形成する。そして、図１５（ｂ）に示すとおり、フォトレジスト膜３２をマスクとして、シリコン活性層２４をＢＯＸ層２６に達するまでエッチングすることで、カンチレバー２２となる部分の周囲のシリコン活性層２４を切欠く。そして、フォトレジスト膜３２を除去することで、図１５（ｃ）に示すとおり、カンチレバー２２が形成される。フォトレジスト膜としては、ポジ型でもネガ型でも良い。カンチレバー２２をエッチングする方法としては、ドライエッチングでもウェットエッチングでもいずれの方法でも良いが、ドライエッチングが好適である。ドライエッチングであれば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）やＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）などがある。またウェットエッチングであれば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）等のアルカリ性エッチャントによる異方性エッチングなどがある。

次に、図１６に示すようにピエゾ抵抗素子形成工程においてカンチレバー２２の基端部にピエゾ抵抗素子４０を形成する。まず、図１６（ａ）のように、カンチレバー２２が形成された側の全体をフォトレジスト膜５０でパターニングする。つぎに図１６（ｂ）に示すようにフォトリソグラフィ技術によって、ピエゾ抵抗素子４０を形成する範囲のフォトレジスト膜５０を除去する。そして、図１６（Ｃ）に示すとおり、フォトレジスト膜５０をマスクとして、シリコン活性層２４にボロンをイオンインプラしてフォトレジスト膜５０を除去することで、図１６（ｄ）に示すようにカンチレバー２２の基端部にピエゾ抵抗素子４０を形成する。フォトレジスト膜としては、ポジ型でもネガ型でも良い。

次に、図１７（ａ）に示すように、絶縁膜形成工程において、カンチレバー２２の表面上に絶縁膜２８を形成する。絶縁膜２８は熱酸化法によって形成される。また、この際、カンチレバー２２の裏面側、つまりシリコン支持層２５の表面のうち、本体部２３となる部分にも酸化膜３３を形成する。すなわち、図１７（ａ）に示すように、シリコン支持層２５の表面の全面に、絶縁膜２８を形成するのと同時に酸化膜３３を形成する次に、図１７（ｂ）に示すように、本体部２３の裏面の部分及びカンチレバー２２が形成された側の全体をフォトレジスト膜５１でパターニングする。そして、図１７（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜５１がパターニングされた部分以外の酸化膜３３をフッ酸によって除去し、最後に、図１７（ｄ）に示すように、フォトレジスト膜５１を除去する。

次に、図１８（ａ）から図１８（ｄ）に示すように、ピエゾ抵抗素子４０に電極配線を形成する。まず、図１８（ａ）に示すように、ピエゾ抵抗素子４０とピエゾ抵抗素子用電極配線４１および４２の接続部となる部分以外の部分をフォトレジスト膜５２でパターニングする。次に、レジストで保護されていない部分の絶縁膜２８をフッ酸により除去し、更にレジスト５２を除去する。次に、図１８（ｂ）に示すようにカンチレバー２２のピエゾ抵抗素子を形成した面全体に電極配線材料となるアルミ膜をスパッタリングにより形成し、図１８（ｃ）に示すように、ピエゾ抵抗素子用電極配線４１および４２となる部分にフォトレジスト膜５３を形成する。図１８（ｄ）に示すようにフォトレジスト５３を形成していない部分のアルミ膜を除去しフォトレジスト膜５３を除去することによってピエゾ抵抗素子用電極配線４１および４２が形成される。

なお、ピエゾ抵抗素子用電極配線４１および４２を形成する方法は、スパッタリング法に限らず、蒸着法としても良い。また、あらかじめ全体にフォトレジスト膜５３を形成し、ピエゾ抵抗素子用電極配線４１および４２を形成する部分のフォトレジスト膜５３を除去する。つづいて、スパッタリング法あるいは蒸着法によってアルミ膜を成膜し、つづいてフォトレジスト膜５３を除去することでピエゾ抵抗素子用電極配線４１および４２を形成する方法としても良い。

次に、図１９（ａ）から図１９（ｃ）に示すように、温度測定用素子形成工程において、絶縁膜２８上に第1の金属構造体２９および第２の金属構造体配線３０を形成する。まず、図１９（ａ）に示すように、第1の金属構造体２９となる部分以外の部分をフォトレジスト膜５４でパターニングする。次に、図１９（ｂ）に示すように、クロム膜をスパッタリング法によって全面に形成する。そして、図１９（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜５４を除去することによって第1の金属構造体２９が形成される。

なお、第１の金属構造体２９となるクロム膜を形成する方法は、スパッタリング法に限らず、蒸着法としても良い。また、あらかじめ全体にスパッタリング法あるいは蒸着法によってクロム膜を成膜し、第１の金属構造体２９となる部分にフォトレジスト膜をパターニングする。つづいてフォトレジスト膜５４が形成されていない部分のクロム膜をエッチングにより除去することで第１の金属構造体２９を形成する方法としても良い。

次に、第１の金属構造体２９の形成する方法と同様に第２の金属構造体３０を形成する。図２０（ａ）から（ｃ）に示すように、第２の金属構造体３０となる部分以外の部分をフォトレジスト膜５５でパターニングする。次に、図２０（ｂ）に示すように、ニッケル膜をスパッタリング法によって全面に形成する。そして、図２０（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜５５を除去することによって第２の金属構造体３０が形成される。なお、第１の金属構造体３０となるニッケル膜を形成する方法は、スパッタリング法に限らず、蒸着法としても良い。

次に探針形成工程において、第1の金属構造体２９の第１の端部２９１および第２の金属構造体配線３０の第２の端部３０１が重なる形で形成された接続部分上に探針２１を形成する。探針形成工程は、基部形成工程と、先端部先鋭化工程の２工程で構成される。図２１（ａ）から（ｃ）は、基部形成工程を示している。まず、図２１（ａ）に示すように、カンチレバー２２側全体に探針２１の高さと略等しい厚さのフォトレジスト膜５６を形成する。フォトレジスト膜５６としては、ポジレジストとネガレジストがあるが、紫外線、電子ビームあるいはレーザ等で照射された部分のパターンが残るネガレジストが好適であり、例えば、ＳＵ−８（化薬マイクロケム株式会社製ＳＵ−８シリーズ）などがある。そして、探針２１の位置に、基部の断面形状と等しくなるようにマスキングする。ここでは、基部の断面形状が円状であるので、円状にマスキングする。そして、図２１（ｂ）に示すように、フォトレジスト膜５６を露光し、現像液を滴下して、未露光範囲を溶かし込む。次に、図２１（ｃ）に示すように、第２の金属構造体３０を一方の電極として電解液に浸潤させて、電鋳法によりニッケルを空洞部分に電鋳することで、探針２１の基部と研磨しろを含んだものとが形成される。

次に、図２２（ａ）に示すように、フォトレジスト膜５６から露出する探針２１の先端部を電解研磨によって、研磨しろを研磨し、先鋭化させる。最後に、図２２（ｂ）に示すように、フォトレジスト膜５６を除去すれば、先端部が先鋭化され、基部が棒状である探針２１が形成される。

次に、図２３（ａ）から（ｃ）に示すように、本体部形成工程において、本体部２３を形成する。まず、図２３（ａ）に示すように、探針２１、第1の金属構造体２９および第２の金属構造体配線３０が配設されたカンチレバー２２を保護するため、カンチレバー２２側の全面にフォトレジスト膜５７を形成する。次に、図２３（ｂ）に示すように、絶縁膜形成工程で形成した酸化膜３３をマスクとして、本体部２３以外のシリコン支持層２５をエッチングする。この場合、ドライエッチングでもウェットエッチングでもいずれでも構わないが、ウェットエッチングが好適である。そして、図２３（ｃ）に示すように、フッ酸によってＳｉＯ２層である酸化膜３３及び本体部２３以外のＢＯＸ層２６を除去し、フォトレジスト膜５７を除去すれば、プローブ２０１が製作される。

以上説明したいずれの実施の形態においてもカンチレバー２２を上述のカンチレバー形成工程で、探針２１を上述の探針形成工程で形成することにより、カンチレバー２２の形成と探針２１の形成とを完全に別工程することができる。このため、カンチレバー２２をＳＯＩ基板２７から形成し、探針２１を電鋳法によってニッケルから形成することができる。さらに、温度測定用素子形成工程は、探針形成工程に先立って探針２１が形成されていない状態で行うことができるので、第1の金属構造体２９および第２の金属構造体配線３０を容易に形成することができる。なお、上述の各工程において、フォトレジスト膜を露光させることでパターニングするが、これに限らず、電子ビームなどによる直接描画する方法でも構わない。

またさらには、図２４に示すようにカンチレバー２２の基端部にはスリット２４Ｓが形成されている構造としてもよい。これによりカンチレバー２２の基端部はたわみやすい構造となり、更に精度の高い測定を可能とする。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、プローブのカンチレバー及び本体部はＳＯＩ基板から形成されるものとしたが、これに限ることは無く、樹脂、半導体、ガラス、あるいは金属に絶縁膜をコートしたものなどでも良い。また、プローブの製造工程の中で、探針形成工程において、先端部先鋭化と基部形成の２工程に分けられるとしたが、これに限ることは無い。基部をさらに複数の工程に分けることで、基部の断面形状を変化させることも可能である。

また、プローブに振動を与えて試料の表面形状を測定するＤＦＭモードの走査型プローブ顕微鏡としたが、これに限ることは無く、探針の変位を直接測定するＡＦＭモードに使用するものとしても、アスペクト比の高い凹凸を感度良く測定することができる。
また、プローブには、探針が１つ設けられるものとしたが、これに限ることは無く、複数の探針を突出して設けることで、アレイ化したプローブとしても良い。さらに、プローブは走査型プローブ顕微鏡に備えられるものとしたこれに限ることはない。

この発明の第１の実施形態の走査型プローブ顕微鏡のブロック図である。 この発明の第１の実施形態のプローブの斜視図である。 この発明の第１の実施形態のプローブの平面図である。 この発明の第１の実施形態のプローブの断面図である。 この発明の第１の実施形態のプローブのカンチレバー形成工程を示す工程図である。 この発明の第１の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。 この発明の第１の実施形態のプローブの温度測定用素子の形成工程を示す工程図である。 この発明の第１の実施形態のプローブの温度測定用素子の形成工程を示す工程図である。 この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（基部）を示す工程図である。 この発明の第１の実施形態のプローブの探針先鋭化工程を示す工程図である。 この発明の第１の実施形態のプローブの本体部形成工程を示す工程図である。 この発明の第１の実施形態のプローブの本体部形成工程を示す工程図である。 この発明の第２の実施形態の走査型プローブ顕微鏡のブロック図である。 この発明の第２の実施形態のプローブの平面図である。 この発明の第２の実施形態のプローブのカンチレバー形成工程を示す工程図である。 この発明の第２の実施形態のプローブのピエゾ抵抗素子形成工程を示す工程図である。 この発明の第２の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。 この発明の第２の実施形態のプローブのピエゾ抵抗素子用電極配線形成工程を示す工程図である。 この発明の第２の実施形態のプローブの温度測定用素子の形成工程を示す工程図である。 この発明の第２の実施形態のプローブの温度測定用素子の形成工程を示す工程図である。 この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（基部）を示す工程図である。 この発明の第２の実施形態のプローブの探針先鋭化工程を示す工程図である。 この発明の第２の実施形態のプローブの本体部形成工程を示す工程図である。 この発明の第２の実施形態のプローブの平面図である。

符号の説明

１、２ 走査型プローブ顕微鏡
３ 試料移動手段
４ 駆動装置
５１ 加振手段
５ 加振電源
６、６０ 変位検出素子
７ コンピューター
８ 温度特性検出手段
９ 試料支持部
２０、２０１ プローブ
２１ 探針
２２ カンチレバー
２３ 本体部
２４ シリコン活性層
２５ シリコン支持層
２６ ＢＯＸ層
２７ ＳＯＩ基板（シリコン基板）
２８ 絶縁膜
２９ 第１の金属構造体
２９１ 第１の端部
３０ 第２の金属構造体
３０１ 第２の端部
３３ 酸化膜
３２、３４、３５、３６、３７、３８、５０
５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７ フォトレジスト膜
４０ ピエゾ抵抗素子
４１、４２ ピエゾ抵抗素子用電極配線
１００ 試料

Claims (8)

1. 表面に絶縁層を有するカンチレバーと、
   前記カンチレバーの上面に設けられ、前記カンチレバーの先端部に第１の端部を有する第１の金属構造体と、
   前記カンチレバーの上面に設けられ、前記第１の端部の上面に設けられた第２の端部を有する第２の金属構造体と、
   前記第２の端部の上面に設けられ、棒状に形成された基部と、尖鋭化された先端部とを有する探針と、
   を有する温度測定用プローブ。
2. 表面に絶縁層を有するカンチレバーと、
   前記カンチレバーの先端部に設けられ、前記カンチレバーの基端部に設けられた第１の電極に接続された、第１の金属構造体と、一端が前記第１の金属構造体の上面に設けられ、他端が前記カンチレバーの基端部に前記第１の電極に離間して設けられた第２の電極に接続された、第２の金属構造体と、からなる温度測定用素子と、
   前記温度測定用素子の上面に設けられ、棒状に形成された基部と、尖鋭化された先端部とを有する探針と、
   を有する温度測定用プローブ。
3. 前記探針が、前記第２の金属構造体と同じ材料からなる請求項1または２に記載の温度測定用プローブ。
4. 請求項１または２に記載の温度特性測定用プローブと、
   前記探針を試料の被測定面に接近させて試料表面を走査することにより試料表面形状に応じて変位する前記探針の変位データを検出する変位検出手段と、
   前記探針を前記試料に対して相対的に前記試料の表面に平行で、互いに直交する二方向の走査及び前記試料の表面に垂直方向の移動を行う移動手段と、
   前記温度測定用素子の熱起電力検出する熱起電力検出部と、
   を備える走査型プローブ顕微鏡。
5. 前記探針を振動用周波数で共振または強制振動させる加振手段を備え、
   前記変位検出手段は、前記探針の振動状態を検出する振動検出手段である請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 前記変位検出手段を前記カンチレバー内に設ける請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 前記変位検出手段はピエゾ抵抗素子である請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
8. シリコン基板を切欠いて、カンチレバーを形成する工程と、
   前記カンチレバーの上面に絶縁膜を形成する工程と、
   前記カンチレバーの先端部側の前記絶縁膜の上面に、第１の金属構造体の第１の端部を形成し、前記第１の端部の上面に第２の金属構造体の第２の端部を形成して、温度測定用素子を形成する工程と、
   前記温度測定用素子の上面に電鋳法によって探針を形成する工程と、
   前記探針の先端部を電解研磨によって先鋭化させる工程と
   前記シリコン基板を切欠いて、前記カンチレバーの基端部側に本体部を形成する工程と、
   を有する温度測定用プローブの製造方法。

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