JP2007532923A - マイクロメカニクスおよびナノメカニクス装置の金属薄膜ピエゾ抵抗変換および自己感知式spmプローブへの応用 - Google Patents

マイクロメカニクスおよびナノメカニクス装置の金属薄膜ピエゾ抵抗変換および自己感知式spmプローブへの応用 Download PDF

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Abstract

マイクロエレクトロメカニカルおよびナノエレクトロメカニカルシステムで金属薄膜をピエゾ抵抗自己感知素子として用いる。AFMプローブへの特定応用を実証する。

Description

発明の詳細な説明
関連出願の相互参照
本出願は、2003年5月7日出願の米国特許仮出願番号60/468,452号の優先権の特典を請求する2004年4月16日出願の米国特許出願第10/826,007号の一部継続出願である。本出願はまた、2004年4月15日出願の米国特許仮出願第60/562,652号の優先権を請求する。上記出願の全てを引用して本明細書に組み込む。
発明の背景
1.発明の分野
本発明は、マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)およびナノエレクトロメカニカルシステム(NEMS)のためのピエゾ抵抗型センサに関する。
2.従来技術の説明
ピエゾ抵抗型変位検出技法は、完全に集積化でき、かつ簡単に用いることができるので、マイクロエレクトロメカニカルシステムおよびナノエレクトロメカニカルシステム(MEMSおよびNEMS)両方にとって魅力的である。用途には、走査プローブ顕微鏡、力および圧力センサ、流量センサ、化学および生物センサ、ならびに、加速度計および運動変換器等の慣性センサが含まれる。これら用途のほとんどは、感知素子としてp型ドープシリコン層を用いる。ドープシリコンはかなり高いゲージ率(20〜100)を有するが、シート抵抗値も高く(10kΩ/スクエア)、従って、比較的高い熱ノイズレベルを有する。また、キャリア密度が低いので、ドープシリコンでは1/fノイズが非常に高いと予想される。また、イオン注入または分子線エピタキシ等の半導体ピエゾ抵抗の製造工程は、複雑かつ高価である。さらに、半導体材料は、工程中で損傷を受けやすいということもある。従って、これらは、ナノスケールの寸法で用いるのには適していない。
より感度が高く、生産が容易でかつ安価な、マイクロエレクトロメカニカルシステムおよびナノエレクトロメカニカルシステムシステムのためのピエゾ抵抗型感知素子に対するニーズが存在しているが、満たされてはいない。
発明の簡単な概要
本発明の実施の形態は、可動素子と可動素子の動きをピエゾ抵抗感知するために用いる金属薄膜とを備えるマイクロまたはナノメカニカルデバイスを提供する。
発明の詳細な説明
本発明の実施の形態は、マイクロメカニクスおよびナノメカニクスシステムのピエゾ抵抗型自己感知素子として用いる金属膜に向けられている。これらのシステムは、マイクロエレクトロメカニカルおよびナノエレクトロメカニカルシステムを備えることが好ましい。
マイクロエレクトロメカニカルおよびナノエレクトロメカニカルシステムはそれぞれ、少なくとも一次元、好ましくは、二次元または三次元において、1μm〜100μmおよび1nm〜1μm未満の大きさの機構を有するデバイスを含む。これらの機構は、カンチレバー、ダイヤフラム、固定ビーム、線材等の可動機構または素子を備えることが好ましい。マイクロエレクトロメカニカルおよびナノエレクトロメカニカルシステムは、原子間力顕微鏡(AFM)等の走査プローブ顕微鏡(SPM)、力および圧力センサ、流量センサ、化学および生物センサ、ならびに、加速度計および運動変換器等の慣性センサ等を含むが、これに限定されない。例えば、化学および生物センサは、化学的または生物学的検体(すなわち、対象の化学的または生物学的種を含むか、またはそれから成る気体または液体の検体)と選択的に結合する材料で被覆された表面を有する一つ以上のカンチレバーを備えていてもよい。
用語「薄膜」は、約100nm〜約10μmの厚さの比較的薄い金属膜、約10nm〜約100nmの厚さの薄い金属膜および、以下により詳細に説明する、約10nm未満の厚さの不連続またはアイランド型金属膜(island type metal films)等の極薄金属膜を含む。用語「金属」は、純金属または実質的な純金属および合金を含む。
用語「自己感知」は、カンチレバーまたはダイヤフラムを放射により照射するために用いるレーザー、およびその反射光を検出してカンチレバーまたはダイヤフラムの撓みを決定するために用いる光検出器等の外部運動感知デバイスを必要とせずに、金属薄膜をピエゾ抵抗素子として用いることを意味する。しかしながら、望むなら、外部の運動感知デバイスを、自己感知金属薄膜と組合せて用いることもできる。更に、金属薄膜は、金属薄膜を流れる電流を提供する電流源および金属薄膜両端の電圧を検出して、金属薄膜および可動素子の動きの量(すなわち、振幅、周波数、方向、および/または他の適切な特性)を決定する検出器とともに用いることが好ましい。
歪みゲージ率(ゲージ率)を用いて、ピエゾ抵抗材料の電気抵抗と歪みの関係を表すことが多く、νをポアソン比、ρを比抵抗、εを歪み、そして、Rを抵抗値とすると、dR/Rdε=(1+2ν)+dρ/ρdεとして定義される。第1項は、単に幾何的な変形からもたらされ、第2項は、主として、材料内の歪みが関与する平均自由行程からの、歪みの変化による抵抗率の物理的変化である。
金属薄膜は、半導体ピエゾ抵抗器よりもずっと低いゲージ率(1〜4)であるが、抵抗値がより低く、より高い電流密度に耐えることができるので、同程度の信号強度を生じることができる。抵抗値が低いので、発生する熱ノイズが少ない。金属薄膜は、半導体ピエゾ抵抗器より、キャリア密度が桁違いに高いので、1/fノイズは著しく低い。ずっと低いノイズレベルにより、シリコンデバイスと同様な分解能を得ることができる。
半導体ピエゾ抵抗器と比較すると、金属薄膜ピエゾ抵抗器は、著しく低コストで作製することができる。厚さが10nm〜10μmの金属薄膜は、Si、SiC、SiN、SiO2、ガラス、更にはプラスチック材料等のほとんど全ての基板上に蒸着またはスパッタするだけでよい。金属薄膜の工程中の損傷は最小限で済む。金属薄膜は、ナノスケールの寸法まで十分にパターン化でき、大規模なアレイ内のデバイス上にバッチ作製できる。
本発明の好適な実施の形態では、ピエゾ抵抗感知のために金薄膜を用いる。当該技術に精通する者なら、限定はしないが、Ag、Ni、Pt、Al、Cr、Pd、W、およびコンスタンタン(Constantan)、カルマ(Karma)、イソエラスティック(Isoelastic)、ニクロムV、Pt−W、Pt−Cr等の合金を含む他の純金属または実質的な金属により同様の結果を得ることができよう。
別の好適な実施の形態では、金属薄膜を用いて、ミクロンサイズ(すなわち1〜1000μm)またはナノメータサイズ(すなわち1μm未満)の素子等の可動素子に被覆する。可動素子は、運動するMEMSまたはNEMS内の任意の素子でよい。可動素子は、共振器等の可撓性で弾力のある素子(すなわち、「フレクスチャ」)を備えることが好ましい。
例えば、共振器は、ミクロンまたはナノメータサイズのカンチレバーを備えることが好ましい。しかしながら、言うまでもなく、本発明は、限定はしないが、両端固定ビーム、ねじり共振器、およびダイヤフラム共振器を含む他の共振器とともに用いることができる。両端固定ビーム共振器、ねじり共振器、およびダイヤフラム共振器の限定しない例は、米国特許出願第10/826,007号、米国特許第6,593,731号、ならびにPCT出願第PCT/US03/14566号(WO/2004/041998として公開)および対応する米国特許出願第10/502,641号に開示され、これらの全体を引用して本明細書に組み込む。例えば、両端固定ビーム抵抗器は、両端を固定された梁を備えるが、全体の中央部分は、自由に懸架されているので、その長さに垂直な方向に、撓むか、つまり動くことができる。ねじり共振器は、限定しない例では、米国特許第6,593,731号に説明され図示されているように、2ヶ所のアンカーポイントに取り付けられ、アンカーポイント間の軸の周りにねじるか、つまり回転することにより可動な可撓性のあるダイヤモンド形または多角形の構造を備える。ダイヤフラム共振器は、一辺以上が固定され、中央部分が自由に懸架されていて、一方向以上に可動または可撓する任意の板形状の共振器を備える。ダイヤフラム共振器の例は、トランポリン共振器である。
本発明の別の好適な実施の形態では、金属薄膜をAFMプローブのセンサとして用いることが実証されている。自己感知式非接触/タップモードのピエゾ抵抗型SPMプローブおよび感知式接触モードのピエゾ抵抗型SPMプローブの両方を作製するための工程を提供する。上記のように、金属薄膜ピエゾ抵抗型感知素子は、力および圧力センサ、流量センサ、化学および生物センサ、ならびに、加速度計および運動変換器等の慣性センサ等の他のMEMSまたはNEMSデバイスで用いることもできる。実施例のデバイスは、少なくとも1.6×10−6/nmの推定変位感度、対抗するドープシリコンと同程度の少なくとも3.8fN/√Hzの力分解能および1nV/√Hz以下のノイズレベルを有する。
最後に、高感度の電子ダウンミックス読み出し法を利用して、金属薄膜からピエゾ抵抗応答を抽出する。好適な実施の形態では、この検出方法およびそれに適した回路を、接触モードおよび非接触モードのAFM動作のための自己感知式金属ピエゾ抵抗型プローブに対して用いる。
金属薄膜
金属薄膜は、どちらかというと低いゲージ率(2〜4)を有する。これらは、半導体ピエゾ抵抗器よりも抵抗値がより低く、より高い電流密度に耐えることができるので、半導体ピエゾ抵抗器と同程度の信号強度を生じることができる。抵抗値が低いので、発生する熱ノイズが少ない。金属薄膜は、半導体ピエゾ抵抗器より、キャリア密度が桁違いに高いので、1/fノイズは著しく低い。共振周波数で動作させ、交流測定するデバイスでは、金属薄膜を高感度とすることができる。
金属薄膜ピエゾ抵抗器は、著しく低コストで製作できる。ほとんど全ての基板上に蒸着またはスパッタするだけでよい。金属薄膜の工程中の損傷は最小限で済む。金属薄膜は、ナノスケールの寸法まで十分にパターン化でき、大規模なアレイ内のデバイス上にバッチ作製できる。
図示した実施の形態では、金の薄膜をピエゾ抵抗感知のために用いる。金の塊では、νは0.24、代表的なゲージ率は1〜4である。金薄膜は、薄膜の厚さにより3つの異なる領域に分けることができる。厚さが100nmを越えると塊と同様である。厚さが10nm〜100nmの薄膜は、連続した薄膜型(film regime)を有する。厚さが10nm未満では、薄膜が不連続になることが多い。不連続薄膜は、金属アイランド間隙(metal island gap)により、ずっと大きな歪みゲージ率を有する。図示した実施の形態では、連続薄膜領域に入る、厚さが30nm〜50nmの金薄膜をピエゾ抵抗層として用いる。しかしながら、言うまでもなく、金属薄膜の寸法は、かなり変更できる。例えば、測定結果によれば、30nm金薄膜から10μm薄膜までの全ての連続金薄膜では、ピエゾ抵抗応答は同じ程度の振幅である。金属薄膜は、任意の適切な幅および長さでよい。例えば、金属薄膜は細い線材(断面積が約100nm2以下の線材等)でもよく、またはデバイスの可動素子の表面の全てまたは一部を覆ってもよく、例えば、200nm〜2μm等の約100nm〜10μmの幅を有する。
金に加え、限定はしないが、ニッケル、プラチナ、パラジウム、タングステン、アルミニウム等を含む純金属または実質的な純金属の幅広いグループを、ピエゾ抵抗感知をするために用いることができる。限定はしないが、コンスタンタン(Constantan)、カルマ(Karma)、イソエラスティック(Isoelastic)、ニクロムVおよびPt−W、Pd−Crを含む合金を、ピエゾ抵抗感知をするために用いることができる。以下の表に、幾つかの類似の金属およびこれら金属の幾つかについてゲージ率を挙げる。
Figure 2007532923
共振器
上記説明のように、好適な共振器の構造は、カンチレバー付きのNEMSまたはMEMS構造等のカンチレバーを備える。図1aおよび図1bに、2つの実施例のカンチレバーのSEMイメージを示す。図1aは、長さ10μm、幅2μmの、f0=1.5MHzをもつカンチレバーのSEMイメージである。図1bは、長さ33μm、幅4μmの、f0=52kHzをもつカンチレバーのSEMイメージである。デバイスは最終抵抗値150Ωを有する。図1aおよび図1bに示すように、カンチレバー1は、接触パッドを含むカンチレバー基部5の近傍に開口部またはノッチ3を含むことが好ましい。ノッチ3を取り囲むカンチレバー1の部分は、「脚部」7と称する。金薄膜9は、少なくともカンチレバーの脚部7に形成されるのが好ましい。望みであれば、ノッチ3を省略してもよい。
好ましくは、図1aおよび図1bに示すカンチレバー付のMEMS構造は、引用して本明細書に組み込む、Y.T.Yang他、Appl.Phys.Lett.78、162(2001)に開示されたものと類似の方法を用いて作製する。例示の方法を以下に説明する。開始材料は、シリコンウェハ上にエピタキシャル成長させた厚さ80nmの炭化珪素である。炭化珪素の選定は、必要性というより利便性からである。例えば、窒化珪素および酸化珪素等のシリコンおよび他の成分を代替として用いることができる。最初に、金接触パッドをフォトリソグラフィにより画成する。次いで、金属の相互接続パターンにより画成される図1aに示す脚部7等の歪み集中脚部を、電子ビームリソグラフィにより描く。1nmクロム接着層、続いて30nm金層を、炭化珪素上に配置したフォトレジストパターン上に熱蒸着し、次いで、取り外して所望のパターンを提供する。電子ビームリソグラフィに続いて、50nmクロム層をエッチングマスクとして、カンチレバー形成領域全体の上にパターン化する。それから、Ar:NF3ガスの1:1混合を用いて、電子サイクロン反応(ECR)エッチャにより試料をエッチングする。250Vバイアス電圧を用いてSiC層を異方性エッチングする。次いで、バイアス電圧を100Vに減じて、等方性エッチングする。デバイスカンチレバーの下のシリコン層がエッチングされ、炭化珪素構造が解放される。カンチレバーがわずかにアンダーカットされた時に、エッチングを停止する。カンチレバーを反らせる原因となるクロムマスクをウエットエッチングで除去して、カンチレバー上の応力を低下させる。最後に非常に短時間のECRドライエッチングを用いてカンチレバーを完全に解放する。それから、試料をピエゾ電気セラミック(PZT)アクチュエータ上に接着し、デバイス全体をチップキャリア上に取り付け、ワイヤボンディングにより電気接続する。
次いで、試料を真空タンクに設置し、室温を測定する。測定システムには、直流ブリッジの半分、直流バイアス源としてのバッテリセットおよびAC−DCバイアスティー(ac-dc bias tee)が含まれる。PZTアクチュエータは、ネットワークアナライザの出力により駆動する。2段の67dBゲイン、50Ωの入力および出力インピーダンスのプリアンプの後、信号のAC部分はネットワークアナライザにフィードバックされる。
図2および図3では、50mVの一定DCバイアスで作動レベルを変えた時の、図1aのデバイスの共振信号を示す。カンチレバーは、長さ5μm、幅500nmの2つの脚部および長さ5μm、幅2μmのパッドを有する。カンチレバーは、1.5MHzの基本周波数、14.8MHzの第2モードを有する。図2は、基本モードの共振曲線を示し、図3は、第2モードの共振曲線を示す。図2および図3の挿入図は、ピーク振幅を、作動レベルまたは振幅の関数として示す。線形応答領域では、共振での振幅は、ピエゾ電気アクチュエータに印加した信号振幅に比例する。基本モードでは、カンチレバーは、真空中でQファクタ1000を有する。図2の破線で示すように、空気中のカンチレバーの動作は、Qファクタが90に下がる。第2モードは、約700のQファクタを有する。
これらのピエゾ抵抗型カンチレバーは、自身の熱機械ノイズを感知するだけの感度を有する。図4は、図1bに示すデバイスのノイズスペクトルを示し、52kHzの基本周波数および638kHzの第2モードを有する。ノイズスペクトル密度と計算したバネ定数とを用いて、カンチレバーの感度を校正できる。カンチレバーポテンシャルエネルギー:K<z>=kTに均等配分の原理を適用し、静的状況での感度をC=ΔR/RΔzとして定義する。ここで、Kはバネ定数、kbはボルツマン定数、Tは絶対温度、<z>はカンチレバー変位の変動の二乗平均であり、ΔR/Rは、ピエゾ抵抗器の抵抗値の変化比、そしてΔzは、カンチレバーの静的変位である。評価は、ノイズスペクトル密度を積分して
Figure 2007532923
を得ることにより得ることができ、ここで<ν>は、電圧変動の二乗平均である。デバイスの幾何形状およびSiCおよび金の弾性特性から、バネ定数K≒0.0024N/mを計算する。感度は、C=1.6×10−7/Åと決定できる。測定は、52kHzの3nV/√Hzおよび638kHzの1.4nV/√Hzのノイズレベルをもつジョンソンノイズおよびアンプノイズにより制限される。カンチレバーは、500kHzで3.8fN/√Hzの力分解能を有する。デバイスの感度は比較的低いが、低ノイズレベルにより十分な分解能を依然有することが明らである。
図1bに示すデバイスの幾何形状を変更して、力分解能または変位分解能を更に改良することができる。図1bのデバイスでは、歪み感知素子9は、カンチレバーの長さの1/10を占有するにすぎない。所与のバネ定数に対して、力感度は、l/tに比例するので、カンチレバーを更に薄く、短く作製すると、その結果、力感度が改良されよう。注意すべきは、ドープシリコンデバイスも、大きな1/fノイズを受ける。Hoogeの法則では、1/fノイズは全キャリア数に逆比例すると考えるので、カンチレバーを小型にすると、ノイズ性能が悪化する。一方、金属薄膜の場合は、キャリア数(〜1022/cm3)が、代表的なドープ半導体(〜1018/cm3)より4桁も高い。1/fノイズは制限事項ではない。
カンチレバーに加えて、金属薄膜を他の幾何形状で用いることもできる。従って、金属薄膜ピエゾ抵抗型センサは、限定はしないが、両端固定ビーム、ねじり共振器およびダイヤフラム共振器を含む他の共振器で用いることができる。
デバイス応用実施例
図5aおよび図5bは、原子間力顕微鏡のための自己感知型カンチレバープローブに金属薄膜を用いる実施例を示す。図5aは、長さ150μm×幅30μm×厚さ4μmのマイクロスケール寸法をもつマイクロマシンカンチレバー(すなわちプローブ)11の略図であり、図5bは、そのSEMイメージである。プローブ11は、カンチレバー1、ノッチ3、基部5、脚部7、金属膜9および鋭いAFMチップ13を含む。金属膜9は、カンチレバーのチップ13と同じ側に形成するのが、必ずではないが好ましい。図5に示す特定のプローブ11は、タップモードAFMのために設計されている。接触モードのAFMのためのプローブも、以下に詳細に説明するように、同様に設計できるが、バネ定数はずっと小さい。
図12および図13は、非接触モードプローブ11および接触モードプローブ21の両方に対する製作工程をそれぞれ示す。図12a〜図12hに示すように、非接触/タップモードのピエゾ抵抗型SPMプローブ11を金属薄膜9で作製するための方法は、以下のステップを含む。
最初に、図12aに示すように、開始基板101を準備する。基板は、例えば、SIMOX(すなわち、酸素注入した)またはUNIBOND(すなわち、接合した)SOI基板等の任意の適切なSOI(シリコンオンインシュレータ)基板でもよい。基板は、2つのシリコン部分105、107の間に厚さ0.5μm〜5μmの酸化層103を有する、例えば550μm等の400〜900μmの厚さでよい。
次いで、図12bに示すように、シリコンのエッチングのためのマスクとして使用可能な任意の材料で作製できるマスク層109および111を、基板101の両側に積層する。例えば、層109および111は、例えば厚さ550Å等の400〜2000ÅのLPCVD積層した窒化珪素層を備えていてもよい。酸窒化珪素または酸化アルミ等の他の材料を用いてもよい。
次いで、図12cに示すように、フォトリソグラフィを用いてマスク層111をパターン化する(すなわち、マスク層上にフォトレジストを積層/スピンコートし、フォトレジストを焼成し、フォトレジストを選択的に露光し、フォトレジストをパターン化し、そしてマスク層の選択的エッチングを行う)。詳細には、結晶軸露出ピット113およびカンチレバー領域開口部115を層111に施し、基板101のシリコン部分107に延在させる。ピット113は、KOHピットエッチにより形成されてもよく、開口部115は、フォトレジストマスクを用いて層111の反応性イオンエッチングにより形成されてもよい。
次いで、図12dに示すように、チップマスクを形成する。チップマスク117は、マスク層109をフォトリソグラフィでパターン化してマスク117を残すことにより形成するのが好ましい。例えば、パターン化したフォトレジスト層により覆われない層109の部分は、反応性イオンエッチングされてマスク117を形成する。このステップで用いるフォトレジストを除去してから、チップエッチングステップに入るのが好ましいが、必ずしもそうしなくてもよい。
次いで、図12eに示すように、チップマスク117をチップエッチングステップで用いる。チップ13は、チップマスク117を用いてシリコン部分105をエッチングすることにより形成する。例えば、シリコン105をKOHを用いて等方性エッチングし、酸化/HFエッチングサイクルを行ってチップ13を形成してもよい。このステップの間、基板101のシリコン部分105は、その厚さが所望のカンチレバー1の厚さとほぼ等しくなるように薄くする。
次いで、図12fに示すように、金属パッドおよび金属ピエゾ抵抗膜9を形成する。30〜70nm等の金属膜は、例えば、厚さ50nmのAu層を、チップ13の近傍のシリコン部分105の上に形成するのが好ましい(すなわち、この金属は、基板の前面側、つまりチップ側に形成するのが好ましい)。金属パッドおよび膜9は、フォトリソグラフィを用いて所望の形状にパターン化してもよい。代替として、金属パッドおよび層9は、金属をフォトレジストパターン上に積層し、次いで、フォトレジストパターンを取り外して、基板101上のシリコン部分105上のパターン化した金属を取り外すことによるリフトオフ法によりパターン化してもよい。
次いで、図12gに示すように、カンチレバー1を、フォトリソグラフィを用いてパターン化する。例えば、基板のシリコン部分105を、RIEまたはウエットエッチングを用いてパターン化する。
次いで、図12hに示すように、カンチレバー1を解放するために、基板101の背面をエッチングする。これは、例えば、マスク層111の開口部115を通じて、基板の背面側シリコン部分107をKOHエッチングし、続いて、HFエッチングして、カンチレバー1の下の酸化層103を除去することにより達成できる。
他の材料およびエッチング方法/媒体を用いてもよいことに注意されたい。更に、フォトレジスト層は、エッチングステップの直後に除去してもよく、またはもっと後で除去してもよい。例えば、開口部115を形成するために用いるフォトレジストは、開口部115を形成した直後に除去しても、または図12hに示すステップの後で除去してもよい。
図13a〜図13hは、接触モードピエゾ抵抗型SPMプローブ21を形成する方法を示す。図13a〜図13hでは、プローブの上面ではなく、底面に、プローブの前面側を示す。無論、「上面」および「底面」は、どの方法でプローブを配置するかに依存する相対的な用語であり、本明細書では、図の素子を説明するためだけに用いる。
最初に、図13aに示すように、開始基板101を準備する。基板は、例えば、任意の適切な半導体基板またはシリコンウェハ等の絶縁基板であってもよい。従って、SOI基板は、この方法では必ずしも用いられない。ウェハは、図12aのSOI基板と同じ厚さとすることができる。
次いで、図13bに示すように、シリコンのエッチングのためのマスクとして使用可能な任意の材料からなるマスク層109および111が、基板101の両側に積層される。例えば、層109および111は、低応力の、厚さ1000Å等の800〜1500ÅのLPCDV積層した窒化珪素層を備える。酸窒化珪素または酸化アルミ等の他の材料を用いてもよい。
次いで、図13cに示すように、背面のマスク層111を、フォトリソグラフィを用いてパターン化して、基板101の背面に延在する位置決め孔を形成する。孔114は、フォトレジストマスクを用いた層111の反応性イオンエッチングにより形成し、続いて、パターン化した層111およびオプションとしてマスクにフォトレジスト(まだ除去されていない場合)を用いた基板101のKOHエッチングにより形成できる。KOHエッチングには、例えば、60°Cで、30%KOH溶液を用いるエッチングを含めることができる。
次いで、図13dに示すように、メンブレンマスクを層111で画成する。詳細には、基板に延在するメンブレン開口部116を、フォトリソグラフィを用いて層111に形成する。開口部116は、フォトレジストマスクを用いた層111の反応性イオンエッチングにより形成し、続いて、パターン化した層111およびオプションとしてマスクにフォトレジスト(まだ除去されていない場合)を用いた基板101のKOHエッチングにより形成できる。基板のKOHエッチングは、孔114が前面側マスク層109に延在するまで深く行う。
次いで、図13eに示すように、チップマスクを形成する。チップマスク117は、マスク層109をフォトリソグラフィでパターン化して、マスクを残すことにより形成するのが好ましい。例えば、パターン化したフォトレジスト層により覆われない層109の部分を、反応性イオンエッチングしてマスク117を形成できる。このステップで用いるフォトレジストを除去してから、チップエッチングステップに進む。電子ビームリソグラフィの位置決めマークを、このステップ中で形成してもよい。
次いで、図13fに示すように、チップマスク117をチップエッチングステップで用いる。チップ13を、チップマスク117を用いた基板前面側のエッチングにより形成する。例えば、KOHを用いて、シリコン基板101の等方性エッチングができる。次いで、残りのマスク層111は除去するのが好ましい。
次いで、図13gに示すように、オプションの低圧窒化珪素層118を、基板101の前面側およびチップ13の上に形成して、チップ表面を窒化珪素で被覆する。他の適切な被覆材料を用いてもよい。次いで、金属パッドおよび金属ピエゾ抵抗膜9を、基板101の前面側にある層118上に直接形成するのが好ましい。金属膜9は、図12fに示す膜9と同一とすることができる。金属膜9は、更に電子ビームリソグラフィ等の任意の適切な方法を用いてパターン化できる。
次いで、図13hに示すように、基板101の背面側をエッチングしてカンチレバー1を解放する。これは、例えば、マスク層111の開口部116を通じての基板背面側のKOHエッチングにより達成される。
他の材料およびエッチング方法/媒体を用いてもよいことに注意されたい。更に、フォトレジスト層は、エッチングステップの直後に除去してもよく、またはより後に除去してもよい。
このように、プローブ11および21を作製する一般的な方法は、基板を準備するステップと、基板の前面および背面側にマスク層を形成するステップと、マスク層をパターン化するステップと、基板の前面側のパターン化したマスク層を用いて、基板の前面側にSPMチップを形成するステップと、基板の前面にパターン化した金属膜ピエゾ抵抗型センサを形成するステップと、背面側マスク層の開口部を通じて背面側から基板をエッチングして、SPMチップおよび金属膜を支持するカンチレバーを形成するステップとを備える。
ピエゾ抵抗応答の実施例
図6は、本発明の別の実施例による、図5bのものと類似のカンチレバー上の金属膜のピエゾ抵抗応答を示す。カンチレバーは、長さ125μm、幅40μm、厚さ4μmであり、従来型チップを有する。カンチレバーは、タップモードAFM用に設計された自己感知型プローブ11に適合している(すなわち、これは、図1aに示すNEMSデバイスより大きなMEMSデバイスである)。金薄膜が、カンチレバーの2つの脚を覆い、電流ループを形成する。図6に示すように、非常に強いピエゾ抵抗応答が観察される。非共振のバックグラウンド信号を生データから差し引いてある。この特定カンチレバーのQファクタは、空気中で約220である。真空状態の方がピエゾ抵抗応答は強くなり、Qファクタは約360に上昇する。真空でのデータは、視覚的検査ができるように右側にずらしてある。
本実験の測定回路設定法を図14および図15に示す。図14は、プローブを接触モードAFMで用いる場合の、SPMプローブのピエゾ抵抗応答を測定する仕組みを示す。図14に示す実施の形態では、ACバイアス電流がピエゾ抵抗器に通電され、測定感度を上げるためにAC電圧を測定する。図14の仕組みは、単純なブリッジ抵抗測定法を提供する。更に、DC測定を直接利用してカンチレバーの撓みを検出できる。固定周波数(例えば、20kHz)のロックインを利用して測定感度を上げることができる。
図15は、プローブをタップ/非接触/ACモードのAFMで用いる場合のSPMプローブのピエゾ抵抗応答を測定する仕組みを示す。ピエゾ抵抗器を流れるバイアス電流を一周波数で変調する一方で、カンチレバーは別の異なる周波数で駆動する。カンチレバーの機械的応答を、それらの差周波数で検出するか、またはそれらの和周波数で検出する。
従って、図15に示すように、AC駆動源を用いて、基部5のピエゾ駆動源を通じて、カンチレバー1を駆動する。駆動源は、ACバイアス源と同期させ、AC駆動の出力およびバイアス源をミキサの異なる入力に供給する。ミキサの出力は、ローパスフィルタ(LPF)を通して、基準信号としてロックインアンプに供給する。ACバイアス源を用いて、金属膜9にバイアスを加え、その出力を別のローパスフィルタおよびアンプを通してロックインアンプにも供給する。図15の仕組みでは、AC駆動源を用いて、例えば240kHz等の共振周波数でカンチレバーを駆動する。直接ロックイン測定を利用して、発振の振幅を検出できる。クロストークによる電気的なバックグラウンドノイズを除去するために、上記に示す実施例は、以下に更に詳細に説明するダウンミックス検出法を利用している。試料のバイアス電流を、駆動周波数より、例えば20kHz高い(例えば、240kHzの駆動周波数に対して260kHz)等の10〜50kHz高い共振周波数で印加する。ロックイン測定を、例えば、20kHzまたは500kHzで実行する(仮出願番号第60/562,652号を参照のこと。詳細を追加するために引用して組み込む)。
次いで、外部信号アクセスおよび制御のための信号アクセスモジュールを備えた市販のAFMシステム(DIdimension 3100 system)によりプローブ11を試験する。測定設定法を図7に略図で示す。金属ピエゾ抵抗型プローブの試験が容易になるように標準のDIプローブホルダを修正する。最初に、チップホルダからAFM初段までの電気接続を外す。次に、4本の線材31、33、35、37をチップホルダにハンダ付けして、プローブ11の下のピエゾアクチュエータ5への電気接続および自己感知型プローブ上の2つの電気接触パッド39、41への接続を可能にする。駆動信号は、外部ファンクションジェネレータ43(Stanford Research System DS345)により、ピエゾアクチュエータ5に印加する。DCバイアス電圧をカンチレバー1の2本の脚7の両端に印加する。カンチレバーの抵抗値と同様な抵抗値をもつ抵抗器44を、共振AC信号を抽出するために、バランス抵抗(20.3Ω)として用いる。プローブ11両端の電圧変化を、低ノイズ電圧アンプ45(Stanford Research System SR560)により、更に増幅する。次に、この発振AC電圧をロックインアンプ47(Stanford Research System SR830)に送る。測定は、ファンクションジェネレータが提供する駆動信号にロックインされる。ロックインアンプのx出力を、位相拡張ボックスの後の信号アクセスモジュールを通じて、ナノスコープコントローラの一入力チャンネルに供給する。
電気測定から共振曲線が最初に得られる。図8は、同一カンチレバーからの3つの共振曲線を示す。曲線1(下の曲線)は、AFM組み込みレーザー撓み測定からの結果である。曲線2(中央の曲線)は、DCバイアス電流によるカンチレバーの直接電気ロックイン測定である。曲線3(上の曲線)は、ACバイアスにより改良した測定結果である(上記のダウンミックス法)。同程度の信号強度が、3つの曲線全てに観測される。光学的データでは、非屈曲共振による側波帯が明瞭である。電気測定曲線にはそれらが見られない。明らかに、電気測定では、光学的測定データで表示された剪断運動に影響されない。曲線2と、曲線3との間を比較すると、ダウンミックス法の方が、そのような測定で通常避けることができないクロストーク信号を効率的に除去できることを示している。
次に、図9に示すように、金属薄膜プローブのノイズスペクトル測定を実行する。非常に低いノイズスペクトルが観測される。1000Hzよりも大きな周波数では、ノイズレベルは1nV/√Hz以下であり、室温で50Ωの抵抗器が発生するジョンソンノイズより低い。一般的に、同一周波数範囲で、p+シリコンのノイズレベルは、約30nV/√Hzである。金属ピエゾ抵抗器のノイズ性能は、半導体のSi材料よりも少なくとも約30倍良好である。
接触モードAFMでは、カンチレバーは共振動作せずに、試料表面のトポグラフィに追従する。カンチレバーのDCまたは偽DC応答は、接触モード動作に対して最も関心が高い。この場合、AFM力インデントを利用して、カンチレバーが試料表面と接触した後、ピエゾプローブのz方向運動をある範囲で変調する。カンチレバーは変調周波数でしかるべく屈曲する。変調されたピエゾ抵抗信号を、広帯域DCアンプで取り出し、オシロスコープで測定する。プローブの力インデントについてのデータを図10に示す(右側の軸)。ピエゾチューブのz成分に印加する電圧も比較のために示す(左側の軸)。この電圧変調は、300nm屈曲振幅と対応する。55μVの信号振幅が、ピエゾ抵抗プローブ両端で観測される。これは、2000倍の電圧増幅後の、0.88mV/nmと対応する。標準の光学的AFM検出では、応答は20mV/nmまでである。例示のピエゾ抵抗器の著しい低ノイズ性を考慮すると、30倍高いゲインのアンプを用いることができ、26.4mV/nmの信号応答により、同程度のノイズレベルで動作させることができ、光学的カンチレバーの性能に匹敵する。
標準のSPM校正格子を用いて、例示の金属薄膜プローブのイメージ化能力を実証する。格子は、シリコンウェハ上の3μmピッチの矩形SiO2ステップの一次元アレイである。ステップ高さは20nm±1nmである。AFMが「リフトモード」で動作する場合、図11bに示すトポグラフィイメージが、ロックインアンプの出力モニタから取得される。比較のために、光学的タップモードAFMイメージを図11aに提示する。信号の条件設定がなくても、金属薄膜ピエゾ抵抗器は、非常に高い信号対ノイズ比を生み出す。イメージ品位は、光学的な測定結果のものと同程度である。従って、AFM等のSPMを用いて、金属膜9のピエゾ抵抗応答に基づくAFMプローブ11、21で検査した表面の特性を、決定および/またはイメージ化できる。言い換えれば、AFMプローブを用いて、図11bに示すような材料の表面をイメージ化でき、またはAFMで実行できるような、材料の一つ以上の表面特性を決定できる。更に、図には示していないが、コンピュータまたは専用プロセッサ等のデータ処理デバイスを用いてAFMプローブおよびロックインアンプ等の関係する装置からの信号を処理し、表面特性と対応するイメージおよび/またはデータを作成、格納、および/または表示できる。好適なピエゾ抵抗膜として金属膜を上記に説明してきた。しかしながら、代わりに他のピエゾ抵抗材料の膜を用いることもできる。例えば、ドープしたシリコン膜等のピエゾ抵抗半導体膜、例えば、p型ドープシリコン膜を共振器表面に形成でき、それを用いて共振器の動きを検出できる。
本発明の上記説明は、図示および説明のために提示した。開示した形態そのものに本発明を包括させたり、または限定する意図はない。修正または改変は、上記教示の範囲内で可能であり、または本発明の実践から得てもよい。説明は、本発明の原理およびその実践応用を表明するために選定された。本発明の範囲は、本明細書に添付する請求項およびその等価物により定義されることを意図している。
本発明の実施の形態による例示のデバイスのSEMイメージである。 本発明の実施の形態による例示のデバイスのSEMイメージである。 図1aのデバイスの共振応答曲線である。 図1aのデバイスの共振応答曲線である。 図1bに示すデバイスの熱機械ノイズスペクトル密度である。最初の2つのモードを示す。データはローレンツ関数と一致する。 本発明の実施の形態によるデバイスの三次元略図である。 本発明の実施の形態によるAFMプローブのSEMイメージである。 本発明の実施の形態のデバイスのピエゾ抵抗応答のプロットである。 本発明の例示のデバイスを試験するために用いる試験設定法の仕組みである。 本発明の実施の形態のデバイスのピエゾ抵抗応答のプロットである。 金属薄膜ピエゾ抵抗器のノイズスペクトルのプロットである。 ピエゾ抵抗型プローブの力インデントのプロットである。 直接タップモードから得られた3Dトポグラフィイメージである。AFM。 金属薄膜ピエゾ抵抗器のロックイン測定から得られた3Dトポグラフィイメージである。 自己感知式非接触/タップモードのピエゾ抵抗型SPMプローブの製作工程フローのステップの側面断面図である。 自己感知式非接触/タップモードのピエゾ抵抗型SPMプローブの製作工程フローのステップの側面断面図である。 自己感知式非接触/タップモードのピエゾ抵抗型SPMプローブの製作工程フローのステップの側面断面図である。 自己感知式非接触/タップモードのピエゾ抵抗型SPMプローブの製作工程フローのステップの側面断面図である。 自己感知式非接触/タップモードのピエゾ抵抗型SPMプローブの製作工程フローのステップの側面断面図である。 自己感知式非接触/タップモードのピエゾ抵抗型SPMプローブの製作工程フローのステップの側面断面図である。 自己感知式非接触/タップモードのピエゾ抵抗型SPMプローブの製作工程フローのステップの側面断面図である。 自己感知式非接触/タップモードのピエゾ抵抗型SPMプローブの製作工程フローのステップの側面断面図である。 自己感知式接触モードのピエゾ抵抗型SPMプローブの製作工程フローのステップの側面断面図である。 自己感知式接触モードのピエゾ抵抗型SPMプローブの製作工程フローのステップの側面断面図である。 自己感知式接触モードのピエゾ抵抗型SPMプローブの製作工程フローのステップの側面断面図である。 自己感知式接触モードのピエゾ抵抗型SPMプローブの製作工程フローのステップの側面断面図である。 自己感知式接触モードのピエゾ抵抗型SPMプローブの製作工程フローのステップの側面断面図である。 自己感知式接触モードのピエゾ抵抗型SPMプローブの製作工程フローのステップの側面断面図である。 自己感知式接触モードのピエゾ抵抗型SPMプローブの製作工程フローのステップの側面断面図である。 自己感知式接触モードのピエゾ抵抗型SPMプローブの製作工程フローのステップの側面断面図である。 本発明の例示のデバイスを試験するために用いる試験設定法の仕組みである。 本発明の例示のデバイスを試験するために用いる試験設定法の仕組みである。

Claims (28)

  1. マイクロメカニクスまたはナノメカニクスデバイスであって、可動素子と、前記可動素子の動きをピエゾ抵抗感知するために用いる金属膜とを備えるデバイス。
  2. 前記可動素子が共振器を備える請求項1のデバイス。
  3. 前記共振器がカンチレバーを備える請求項2のデバイス。
  4. 前記カンチレバーが半導体材料を含む請求項3のデバイス。
  5. 前記金属膜が前記カンチレバーの表面上に被覆されている請求項3のデバイス。
  6. 前記カンチレバーが、ノッチと、前記ノッチを取り囲む脚部とを備え、前記金属膜が、前記カンチレバーの少なくとも前記脚部上に配置される請求項5のデバイス。
  7. 前記ノッチが、前記カンチレバーの基部に隣接して配置される前記カンチレバーを通るスルーホールを備える請求項6のデバイス。
  8. 前記デバイスが、前記カンチレバーの第1面上にAFMチップを含むAFMプローブを備える請求項3のデバイス。
  9. 前記金属薄膜が、前記カンチレバーの前記第1面上に配置されている請求項8のデバイス。
  10. 前記金属薄膜が、前記カンチレバーの前記第1面と対向する前記カンチレバーの第2面上に配置される請求項8のデバイス。
  11. 前記AFMプローブが接触型プローブを含む請求項8のデバイス。
  12. 前記AFMプローブが非接触型プローブを含む請求項8のデバイス。
  13. 更に、前記金属薄膜にバイアスを加えるよう成されるバイアス源と、前記金属薄膜からもたらされる信号を検出するよう成される検出器とを備える請求項8のデバイス。
  14. 前記バイアス源がACバイアス源を備え、前記検出器が位相感知検出器を備える請求項13のデバイス。
  15. 前記検出器がロックインアンプを備える請求項14のデバイス。
  16. 前記共振器が、ねじり共振器、両端固定ビーム、およびダイヤフラム共振器から成るグループから選定される請求項2のデバイス。
  17. 前記金属膜が、10nm〜10μmの厚さを有する自己感知膜を備え、前記可動素子が少なくとも一次元において100μm以下である請求項1のデバイス。
  18. 前記金属膜が、Au、Pt、W、Al、Ni、Cu、Cr、Ag、Pd、Pt−Cr、ニッケル銅、ニッケルクロム、Pt−W、イソエラスティック(Isoelastic)、カルマ(Karma)、Ni−AgおよびアーマーD(Armour D)から成るグループから選定される請求項1のデバイス。
  19. 前記金属膜が、10〜100nmの厚さを有するAu、Pt、W、またはAl膜を含む請求項18のデバイス。
  20. 前記デバイスが、SPMプローブ、力センサ、圧力センサ、流量センサ、化学センサ、生物学センサ、および慣性センサから成るグループから選定されるMEMSまたはNEMSを含む請求項1のデバイス。
  21. SPMプローブを作製する方法であって、基板を準備するステップと、基板の前面および背面側にマスク層を形成するステップと、前記マスク層をパターン化するステップと、前記基板の前面側のパターン化したマスク層を用いて、前記基板の前記前面側にSPMチップを形成するステップと、前記基板の前記前面にパターン化した金属膜ピエゾ抵抗型センサを形成するステップと、背面側マスク層の開口部を通じて前記背面側から前記基板をエッチングして、前記SPMチップおよび前記金属膜を支持するカンチレバーを形成するステップとを含むSPMプローブを作製する方法。
  22. 可動素子およびピエゾ抵抗膜を備えるマイクロメカニクスまたはナノメカニクスデバイスを動作させる方法であって、前記ピエゾ抵抗膜にバイアスを加えるステップと、前記膜の前記ピエゾ抵抗応答を検出して、前記可動素子の動きの量を決定するステップとを含む方法。
  23. 前記膜が金属膜を含む請求項22の方法。
  24. 前記膜が半導体膜を含む請求項22の方法。
  25. 前記デバイスがAFMプローブを含む請求項22の方法。
  26. 更に、前記金属膜の前記ピエゾ抵抗応答に基づく前記AFMプローブで検査した表面の特性を決定するステップまたはそれをイメージ化するステップの内の少なくともどちらかを含む請求項25の方法。
  27. 前記AFMプローブを接触モードで用いるとともに、前記金属膜の前記ピエゾ抵抗応答を検出する前記ステップが、前記金属膜にACバイアスを加えるステップと、前記AC電圧を測定するステップとを含む請求項25の方法。
  28. 前記AFMプローブを非接触モードで用いるとともに、前記金属膜の前記ピエゾ抵抗応答を検出する前記ステップが、第1周波数で前記金属膜にACバイアスを加えるステップと、前記第1周波数と異なる第2周波数で前記AFMプローブを駆動するステップと、前記第1および第2周波数の差周波数または和周波数で前記プローブの機械応答を検出するステップとを含む請求項25の方法。
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