JP2008089500A

JP2008089500A - 導電性カンチレバー及びその製造方法

Info

Publication number: JP2008089500A
Application number: JP2006272965A
Authority: JP
Inventors: Nobuya Iwata; 展也岩田
Original assignee: Elpida Memory Inc
Current assignee: Micron Memory Japan Ltd
Priority date: 2006-10-04
Filing date: 2006-10-04
Publication date: 2008-04-17

Abstract

【課題】信頼性、耐久性に優れた導電性カンチレバーを提供すること。
【解決手段】シリコン基板２１上に窒化シリコン層２２及び導電性ポリシリコン層２３を順次形成する。導電性ポリシリコン層２３をエッチングして、探針１３を形成する。さらに導電性ポリシリコン層２３及び窒化シリコン層２２を部分的にエッチングしてビーム部１２を形成し、シリコン基板２１を部分的にエッチングして台座部１１を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）に用いられるカンチレバー及びその製造方法に関し、特に導電性を有する導電性カンチレバー及びその製造方法に関する。

ＳＰＭは、探針を用いて試料表面を走査し、試料の表面状態を拡大観察する装置であって、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Microscope）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）などがある。

ＳＴＭは、トンネル電流を用いて導電性試料表面の形状を高分解能で検出するもので、測定可能な試料が導電性を有するものに限られる。これに対して、ＡＦＭは、試料と探針との間に働く原子間力を利用するため、試料が非導電性であっても観測可能であるという特長がある。

ＡＦＭは、試料と探針との間に働く原子力を機械的変位に変換するカンチレバーを備える。カンチレバーは、ビーム部を有し、その先端部前面側にビームの延在方向と略直交する方向に突出するよう探針が設けられている。探針を試料表面に近接させて走査すると、探針と試料表面との間に発生する原子間力に応じてビーム部が変位する。この変位を、ビーム部の背面に照射したレーザ光の反射方向の変化として受光素子を用いて検出し、イメージング（映像化）する（例えば、特許文献１参照。）。

ＡＦＭを用いて試料表面の構造を高分解能に観察するためには、探針の先端が非常に鋭くなっている必要がある。また、探針に働く原子間力の敏感に応答し、かつ高速で走査できるように、カンチレバーの機械的共振波数を高くする必要がある。このため、従来のＡＦＭに用いられるカンチレバー及び探針は、シリコン（Ｓｉ）や窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、あるいはこれらの組み合わせを用いて作られている（例えば、特許文献２，３，４参照。）。

また、ＡＦＭから派生した技術として、電気物性分布をイメージングする電気力顕微鏡（ＥＦＭ：Electric Force Microscope）や電位顕微鏡（ＳＰｏＭ：Surface Potential Microscope）といったものがある。これらの顕微鏡では、探針（及びカンチレバー）に導電性を持たせる必要があるため、探針の表面に金属層をコートすることが行われている（例えば、特許文献５参照。）。

特開２０００−２７５２６０号公報（図１）特開平９-２１８１６号公報（図２）特開平１０-２６７９４９号公報（図１，２，５）特開２００１−４５２１号公報（図３）特開２００２−３５７５２９号公報（図４Ｂ）

従来の、導電性を有する探針を備えるカンチレバー（以下、導電性カンチレバーという。）は、単結晶シリコン又は窒化シリコン製の探針にＡｕやＰｔなどの金属膜をコートして構成されている。このため、従来の導電性カンチレバーには、金属膜が磨耗したり剥離するおそれがあり、耐久性、信頼性に欠けるという問題がある。

そこで、本発明は、信頼性、耐久性を向上させた導電性カンチレバーを提供することを目的とする。

なお、上記特許文献２には、その図２にポリシリコン膜と窒化シリコン膜から成るビーム部を有するカンチレバーが開示されているが、その探針は窒化シリコン膜製であり、導電性を有するものではない。

本発明は、走査プローブ顕微鏡に用いられる導電性カンチレバーにおいて、探針が多結晶シリコンで構成されていることを特徴とする。

前記多結晶シリコンは導電性を有している。

前記探針は、ビーム部の少なくとも一部と一体的に形成されている。

前記ビーム部は、多結晶シリコン層と窒化シリコン層の二層構造である。

また、本発明は、走査プローブ顕微鏡に用いられる導電性カンチレバーの製造方法において、シリコン基板上に窒化シリコン層及び導電性多結晶シリコン層を形成し、前記導電性多結晶シリコン層を部分的にエッチングして、当該導電性多結晶シリコン層から突出する導電性多結晶シリコン製の探針を形成する、工程を含むことを特徴とする。

さらに、本発明は、走査プローブ顕微鏡に用いられる導電性カンチレバーの製造方法において、シリコン基板上に窒化シリコン層を形成し、前記窒化シリコン層上に導電性多結晶シリコン層を形成し、前記導電性多結晶シリコン層上の所定の領域に探針形成用レジストを形成し、前記探針形成用レジストをエッチングマスクとして、前記導電性多結晶シリコンを部分的にエッチングして前記探針形成用フォトレジストマスクの下に探針を形成し、前記探針形成用フォトレジストマスクを除去し、前記導電性多結晶シリコンの露出面の所定の領域に前記探針の高さよりも厚いビーム形成用レジストを形成し、前記ビーム形成用レジストをエッチングマスクとして、前記導電性多結晶シリコン及び前記窒化シリコン層を部分的にエッチングしてビーム部を形成し、前記シリコン基板の裏面の所定の領域に台座部形成用レジストを形成し、前記台座部形成用レジストをエッチングマスクとして、前記シリコン基板を部分的にエッチングして台座部を形成し、前記ビーム形成用レジスト及び前記台座部形成用レジストを除去する、工程を含むことを特徴とする。

本発明によれば、探針が導電性多結晶シリコンで構成され、耐摩耗性、信頼性に優れた導電性カンチレバーが得られる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る導電性カンチレバーの斜視図、図２は、そのＸ−Ｘ線断面図である。

本実施の形態に係る導電性カンチレバー１０は、図１及び図２に示すように、台座部１１、ビーム部１２、及び探針部１３を有している。

台座部１１は、シリコン（Ｓｉ）基板２１、窒化シリコン（ＳｉＮ）層２２及び導電性多結晶シリコン層２３からなる。導電性多結晶シリコン層２３は、導電型不純物(Ｐ等)を含む多結晶Ｓｉ（ＤＯＰＯＳ：Doped Polycrystalline Silicon）である。

窒化シリコン層２２及び導電性多結晶シリコン層２３は、台座部１１から突出してビーム部１２を形成する。また、探針部１３は、導電性多結晶シリコン層２３をエッチングして形成され、ビーム１２と一体的に設けられている。

このように、本実施の形態では、ビーム部１２が、窒化シリコン層（窒化膜）２２と多結晶シリコン層２３との２層構造になっている。ここで、窒化シリコン層２２は、ビーム部１２の強度を増し、共振周波数を高める。また、多結晶シリコン層２３は、金属よりも高い硬度を有するので耐摩耗性に優れる。また、多結晶シリコン層２３は窒化シリコン層２２と強固に結びつくので、金属層をコートする場合のように剥離の問題は生じない。

次に、本実施の形態に係る導電性カンチレバー１０の作製プロセスについて、図３（ａ）〜（ｌ）を参照して説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、適当なＳｉウェハ３１を用意する。

次に、図３（ｂ）に示すように、Ｓｉウェハ３１の表面上に窒化シリコン層（ＳｉＮ）３２を成長させる。

続いて、図３（ｃ）に示すように、窒化シリコン層３２の表面上に導電性ポリシリコン層３３を成長させる。

次に、図３（ｄ）に示すように、導電性ポリシリコン層３３の表面であって、探針部に対応する領域にフォトレジストマスク３４を形成する。

続いて、フォトレジストマスク３４をエッチングマスクとして、導電性ポリシリコン層３３を部分的にドライエッチングし、図３（ｅ）に示すように、導電性ポリシリコン製のポスト３５を作製する。

さらに、ポスト３５（及び導電性ポリシリコン層３３）に対して、ウエットエッチングによる等方性エッチングを行い、図３（ｆ）に示すように、ポスト３５の先鋭化を行って、探針３６とする。その後、図３（ｇ）に示すように、探針３６上のフォトレジストマスク３４を剥離する。

次に、厚膜レジストを導電性ポリシリコン層３３の露出面（探針が形成された面）上に塗布し、ビーム部及び台座部の形状パターンを露光、現像して、図３（ｈ）に示すように、ビーム部形成用マスク３７を形成する。なお、この厚膜レジストは探針を保護する必要があるので、膜厚は探針の高さよりも厚く、例えば、１０μｍ以上でなければならない。また、この厚膜レジストは、後工程において剥離可能でなければならない。このような厚膜レジストとしては、例えば、マイクロマシン用のフォトレジストがある。

次に、ビーム部形成用マスク３７を用いたドライエッチングを行い、図３（i）に示すように、導電性ポリシリコン層３３及び窒化シリコン層３２を部分的にエッチングする。

次に、図３（ｊ）に示すように、Ｓｉウェハ３１の裏面の所定の領域に台座部形成用のフォトレジストマスク３８を形成する。それから、フォトレジストマスク３８を用いたウエットエッチングを行い、図３（ｋ）に示すように、Ｓｉウェハ３１を部分的にエッチングして台座部を形成する。ここでは、Ｓｉウェハ３１の（１００）面を出すため、エッチャントにはＫＯＨを用いる。このとき、窒化シリコン層３２がエッチストップ層として機能するため、このエッチングは、ビーム部の厚みに影響を与えない。それゆえ、この構成によれば、ビーム部の共振周波数やバネ定数といった機械的特性のバラツキを低減することができる。

最後に、図３（ｌ）に示すように、ビーム部形成用マスク３７及び台座部形成用のフォトレジストマスク３８を剥離して、導電性カンチレバーが完成する。

以上のようにして得られた導電性カンチレバーは、探針が導電性多結晶シリコン製であるため、耐摩耗性に優れる。また、探針が導電性を有することにより、探針の帯電によるＡＦＭのイメージング性能低下を防止することができる。

また、ビーム部には、窒化シリコン層が含まれるので、折れにくく、高い共振周波数を実現できる。

さらに、ビーム部は２層構造であるが、窒化シリコン層と多結晶シリコン層で構成されるので、剥離や湾曲等の問題は生じない。

また、本発明の導電性カンチレバーは、特別な形状等を有するものではないので、市販のＡＦＭ等のＳＰＭにそのまま搭載できる。さらに、多結晶シリコン層３３に磁性材料を添加すれば、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ：Magnetic Force Microscope）用のカンチレバーとしても使用可能である。

本発明の一実施の形態に係る導電性カンチレバーの斜視図である。図１におけるＸ−Ｘ線断面図である。（ａ）乃至（ｌ）は、図１の導電性カンチレバーの製造方法を説明するための工程図である。

符号の説明

１０導電性カンチレバー
１１台座部
１２ビーム部
１３探針部
２１シリコン基板
２２窒化シリコン層
２３導電性多結晶シリコン層
３１Ｓｉウェハ
３２窒化シリコン層
３３導電性ポリシリコン層
３４フォトレジストマスク
３５ポスト
３６探針
３７ビーム部形成用マスク
３８フォトレジストマスク

Claims

走査プローブ顕微鏡に用いられる導電性カンチレバーにおいて、
探針が多結晶シリコンで構成されていることを特徴とする導電性カンチレバー。
請求項１に記載された導電性カンチレバーにおいて、
前記多結晶シリコンが導電性を有していることを特徴とする導電性カンチレバー。
請求項１または２に記載された導電性カンチレバーにおいて、
前記探針がビーム部の少なくとも一部と一体的に形成されていることを特徴とする導電性カンチレバー。
請求項３に記載された導電性カンチレバーにおいて、
前記ビーム部が多結晶シリコン層と窒化シリコン層の二層構造であることを特徴とする導電性カンチレバー。
走査プローブ顕微鏡に用いられる導電性カンチレバーの製造方法において、
シリコン基板上に窒化シリコン層及び導電性多結晶シリコン層を形成し、
前記導電性多結晶シリコン層を部分的にエッチングして、当該導電性多結晶シリコン層から突出する導電性多結晶シリコン製の探針を形成する、
工程を含むことを特徴とする導電性カンチレバーの製造方法。
走査プローブ顕微鏡に用いられる導電性カンチレバーの製造方法において、
シリコン基板上に窒化シリコン層を形成し、
前記窒化シリコン層上に導電性多結晶シリコン層を形成し、
前記導電性多結晶シリコン層上の所定の領域に探針形成用レジストを形成し、
前記探針形成用レジストをエッチングマスクとして、前記導電性多結晶シリコンを部分的にエッチングして前記探針形成用フォトレジストマスクの下に探針を形成し、
前記探針形成用フォトレジストマスクを除去し、
前記導電性多結晶シリコンの露出面の所定の領域に前記探針の高さよりも厚いビーム形成用レジストを形成し、
前記ビーム形成用レジストをエッチングマスクとして、前記導電性多結晶シリコン及び前記窒化シリコン層を部分的にエッチングしてビーム部を形成し、
前記シリコン基板の裏面の所定領域に台座部形成用レジストを形成し、
前記台座部形成用レジストをエッチングマスクとして、前記シリコン基板を部分的にエッチングして台座部を形成し、
前記ビーム形成用レジスト及び前記台座部形成用レジストを除去する、
工程を含むことを特徴とする導電性カンチレバーの形成方法。