JP2008209286A - 走査型プローブ顕微鏡用プローブ及び走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 試料表面の形状、および微小領域での複数の物性を同時測定することが可能な顕微鏡用プローブ及び走査型顕微鏡を提供する。
【解決手段】 先鋭化された第１の探針部２１および第２の探針部２１１と、第１の探針部２１が先端部に突出して設けられたカンチレバー２２ａと第２の探針部２１１が先端部に突出して設けられたカンチレバー２２ｂとからなるカンチレバー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とを備える顕微鏡用プローブとした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡などに使用されるプローブに関する。

現在、試料表面におけるナノメートルオーダー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、先端部に探針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、カンチレバーの探針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。

光てこ式のカンチレバー（以下「光てこ式カンチレバー」と呼ぶ。）では、カンチレバーにレーザ光を照射して、その反射角の変化を計測することによって撓み量を検出する。また、光てこ式カンチレバーには、探針に導電性を持たせることにより、探針と試料表面との間に電圧を印加し、探針と試料表面との間に流れる電流変化またはその電圧印加によって誘起される静電容量に基づいて撓み量の変化を測定するものがある（例えば、非特許文献１参照。）。

また、自己検知型のカンチレバー（以下「自己検知型ＳＰＭプローブ」と呼ぶ。）では、カンチレバーにピエゾ抵抗体を形成し、その抵抗値の変動を計測することによって撓み量を検出する（例えば、特許文献１参照。）。

また、この原子間力顕微鏡の技術を利用して、探針から被加工物に電流を流すことで被加工物の物性を変化させてナノメートルオーダーの加工や素子の作製を行う微細加工装置も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

さらには、被加工物に接触して加工を行う角錐状ダイヤモンドバルクチップなどの第1の探針と、この探針が固定された第一のカンチレバーと、被加工物に接近してその形状や物性その他の性状を検知する探針であって、角錐状のシリコン系材料のチップにダイヤモンドコーティングした第二の探針とこの第二の短針が固定された第二のカンチレバーとこれら第一、第二のカンチレバーを所定間隔空けて保持したカンチレバー取付部材とを備えた微細加工装置がある。この装置は、加工を行う第一のカンチレバーと観察を行う第二のカンチレバーを、カンチレバー取付部材を回転させて切り替えることにより観察と加工を行う装置である（例えば、特許文献３参照。）。
特開平５−１１６４５８号公報 特開２００２−１５４１００号公報 特開２００４−２７６１７７号公報 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ６５（１）,１ ｐ１６４ Ｊａｎｕａｒｙ １９８９

プローブ顕微鏡には、さまざまな測定モードがあり、代表的なものとしてはコンタクトモード（接触型）ＡＦＭとノンコンタクト（非接触モード）ＡＦＭがあげられる。それぞれの測定モードに応じたプローブの選択が必要とされる。

とりわけ、コンタクトモード（接触型）ＡＦＭは、ＡＦＭの基本になる測定モードであり、硬さ、粘弾性、摩擦力、原子間力、電磁気力など、試料の表面物性の観察や原子像など高分解能の測定に適している。

コンタクトモード（接触型）ＡＦＭは、探針と試料表面が接触した状態で利用される。試料と探針間の距離が近いため、高分解能が期待される。コンタクトモード（接触型）ＡＦＭは、探針と試料表面が接触した状態で利用されるため、バネ定数が高く硬いカンチレバーでは、試料表面を破壊しながら観察してしまう危険性がある。このため観察された表面構造が実構造とは異なってしまう恐れがあり、例えば有機材料や生体試料など軟質な試料を観察する際には、試料にかかる探針荷重を小さくするため、できるだけバネ定数を低くした柔らかいカンチレバーであることが求められる。しかし、生体試料などと比べて硬いサンプルなどの測定においては、バネ定数を低くした柔らかいカンチレバーでは試料表面の硬さなど、試料自体の変形特性を測定することが出来ない。また、測定試料の表面の凹凸が激しい場合や、角度が急峻なサンプルの場合にはバネ定数を低くした柔らかいカンチレバーでは、試料の形状に対する追従性が悪いため測定結果が試料の表面状態を正しく示していないという課題があった。

また、ＳＰＭによる観察において、使用するプローブの選択は測定するサンプルに応じて、カンチレバーの各特性値により選ばれ、装置のオペレーターの経験よるところが大きかった。つまりプローブの選択には経験やノウハウが必要とされるところに課題があった。さらには、前述したとおり、測定する試料の硬さに応じてカンチレバーを付替える必要があった。

また、プローブ顕微鏡を用いたナノインデンテーションに応用する場合においては、測定を行う際にカンチレバーに荷重をかけて、探針を試料に押し込む必要がある。バネ定数が低い、柔らかいカンチレバーを用いると、硬い試料などでは圧痕が試料につかず計測が出来ない恐れがあった。この場合バネ定数が高い、硬いカンチレバーを選択すればよいが、バネ定数が高い、硬いカンチレバーを用いると、測定ポイントの特定などのために試料表面を観察する時に、試料を破損してしまう恐れがあった。つまり測定用と観察用にそれぞれバネ定数の違うカンチレバーが必要であり、それらを測定時と観察時で付替える必要があった。

また、例えばフォトリソグラフィに用いるフォトマスクの黒欠陥修正など、いわゆるナノ加工に用いる場合には、加工速度を早くあるいは粗く加工を行う場合には探針に大きな荷重をかけて加工を行うため、バネ定数が高い、硬いカンチレバーを用いる必要がある。しかし、仕上げの加工あるいは試料観察など極力荷重をかけずに試料表面を走査したい場合にはバネ定数を低くした柔らかいカンチレバーを用いる必要がある。つまり加工用と観察用にそれぞれバネ定数の違うカンチレバーが必要であり、それらを測定時と観察時で付替える必要があった。

また、上記背景技術の特許文献２に記載された微細加工装置は、探針から被加工物に電流を流すことで被加工物の物性を変化させてナノメートルオーダーの加工や素子の作製を行うものであり、機械的に被加工物を加工する物ではない。さらには、加工を行った部分の加工状態や加工結果の形状を観察するためには、加工が終了した後に、被加工物を他の観察手段、たとえば原子間力顕微鏡などにセットしなおして観察を行う必要があった。そのため、加工および観察を繰り返し行うといった作業を簡単に行うことは困難であった。

また、特許文献３に記載された微細加工装置では、加工用カンチレバーと観察用カンチレバーを取付部材を回転させることで切り替えているため、観察と加工を交互に行う場合には、観察した部位と加工する部位の対応させることが困難となってしまう。

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、バネ定数を可変できるカンチレバーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提案している。

本発明の顕微鏡用プローブは、カンチレバーと、該カンチレバーを支持する本体部とからなるプローブであって、前記カンチレバーに先鋭化された探針部が複数設けられている構成とした。また、本発明の顕微鏡用プローブは前記探針部が前記カンチレバーの中心軸上に配置されている構成とした。

上記発明に係る顕微鏡用プローブによれば、試料の種類や状態に合わせて異なるプローブを、試料を一軸方向に移動させるだけで選択できるため、測定結果に応じて都度、プローブを交換しなければならなかった従来法にくらべ、測定位置の特定などに多くの時間を費やす必要が無く測定を行うことができる。

また、本発明の顕微鏡用プローブは、前記カンチレバーの厚みを部分的に変化させて形成してある構成とした。

あるいは、本発明の顕微鏡用プローブは、前記カンチレバーの幅を部分的に変化させて形成してある構成とした。

上記発明に係る顕微鏡用プローブによれば、前記カンチレバーの厚みを部分的に変化させること、あるいは、前記カンチレバーの幅を部分的に変化させることにより、カンチレバーのバネ定数を変化させる事としており、複数の探針部がそれぞれ異なるバネ定数のカンチレバー上に設置されているため、試料の種類や状態に合わせてバネ定数の異なるプローブを選択して観察を行うことが可能となる。さらには、複数のプローブを交互に選択しながらの測定も可能とする。

また、本発明においてはそれらの構成を組み合わせてカンチレバーのバネ定数を変化させる事としても良い。

また、上記発明に係る顕微鏡用プローブによれば、例えばコンタクトモード（接触型）測定を行う場合には、バネ定数の低いカンチレバー部に形成した探針部を用いて測定を行うため、試料表面を走査させた場合にも試料表面を破壊しながら観察してしまう危険性がない。このため有機材料や生体試料など軟質な試料を観察する際に観察された表面構造が実構造とは異なったものになってしまうなどのリスクを抑えることを可能にする。また、バネ定数の低いカンチレバー部に形成した探針部を用いて測定を行った結果、試料表面の凹凸が激しい、あるいは角度が急峻なサンプルであった場合には、測定結果がだれてしまうため、バネ定数の高いカンチレバー部分に形成した探針部を用いて再度測定を行う。こうした連続的な観察を、カンチレバーを交換することなしに行うことが可能となる。

さらには、プローブ顕微鏡を用いたナノインデンテーションに応用する場合においては測定時と観察時、フォトリソグラフィに用いるフォトマスクの黒欠陥修正など、いわゆるナノ加工に用いる場合においては加工時と観察時にそれぞれバネ定数の異なるカンチレバーに形成された探針部を選択することにより観察時にはバネ定数の低いカンチレバーに形成された探針部を選択することで、試料表面にダメージを与えることなく観察を行い、測定時および加工時にはバネ定数の高いカンチレバーに形成された探針部を選択する。このとき、観察用のカンチレバーを充分にバネ定数の低い状態に形成することで、バネ定数の低いカンチレバーに形成された探針部が試料に接触している状態であっても試料表面にダメージを与えることなく測定及び加工を行うことを可能とする。

また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、前述した走査型プローブ顕微鏡用プローブと、前記プローブの複数の前記探針部を、試料表面に対して相対的に平行に走査するとともに垂直方向に移動させる移動手段と、前記移動手段により走査される複数の前記探針部の、前記試料表面の形状に応じた変位データを検出する変位検出手段と、を備える構成とした。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、凹凸を表面に有する試料表面微小領域の形状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、少なくとも１つの探針部を任意の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、探針部の振動状態を検出する振動検出手段である構成とした。

この発明に係わる走査型プローブ顕微鏡によれば、ＤＦＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｏｄｅ）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てあることとした。

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。

本発明によれば、測定モードや試料の表面状態に合わせて探針部を選択することにより、カンチレバーのバネ定数が選択できるため、測定結果に応じて都度プローブを交換しなければならなかった従来法にくらべ、プローブ交換、測定位置の特定などを行うことなく測定を行うことができる。

また、プローブ顕微鏡を用いたナノインデンテーションに応用する場合においては測定時と観察時、フォトリソグラフィに用いるフォトマスクの黒欠陥修正など、いわゆるナノ加工に用いる場合においては加工時と観察時に都度プローブを交換しなければならなかった従来法にくらべ、プローブ交換、測定位置の特定などを行うことなく作業を行うことができる。

以下に、本願発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１から図７は、この発明に係る第１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６にはプローブの製造工程の工程図を示す。また、図７には本実施例のほかの例を示している。

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第１の探針部２１および第２の探針部２１１を有するプローブ２０と、プローブ２０の第１の探針部２１および第２の短針部２１１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５００とを備えている。プローブ２０は、第１の探針部２１および第２の探針部２１１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５００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５００によって加振されたプローブ２０の第１の探針部２１および第２の探針部２１１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、第１の探針部２１および第２の探針部２１１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、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５００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５００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の表面形状を測定する。

プローブ２０の第１の探針部２１および第２の探針部２１１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。

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、先鋭化された第１の探針部２１および第２の探針部２１１と、第１の探針部２１が先端部に突出して設けられたカンチレバー２２ａと第２の探針部２１１が先端部に突出して設けられたカンチレバー２２ｂとからなるカンチレバー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、図４（図３におけるＡ−Ａ´断面）に示すとおり、第１の探針部２１はカンチレバー２２ａ、第２の探針部２１１はカンチレバー２２ｂの表面の先端部に形成されており、その先端が先鋭化されているため、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、第１の探針部２１および第２の探針部２１１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。

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及び図６は、図３に示す切断線Ａ−Ａ´におけるプローブ２０の形成工程を説明する部分断面図である。

まず、図５（ａ）のように、ＳＯＩ基板２７の表面および裏面を熱酸化することによりシリコン酸化膜３３を形成する。さらに表面側のシリコン酸化膜３３上にエッチングマスクとなるフォトレジスト膜３１を形成する。次にフォトレジスト膜３１をマスクとしてバッファードフッ酸溶液（ＢＨＦ）を用いて表面側のシリコン酸化膜３３をエッチングすることにより図５（ｂ）に示すように第１の探針部２１および第２の探針部２１１を形成するためのマスクとなるシリコン酸化膜３３をパターニングする。つづいて、パターニングしたシリコン酸化膜３３をマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）することで、図５（ｃ）に示すように、マスクであるシリコン酸化膜３３の下に第１の探針部２１および第２の探針部２１１が形成される。そして、バッファードフッ酸溶液（ＢＨＦ）を用いてマスクであるシリコン酸化膜３３をエッチングすることにより図５（ｄ）に示すとおり、先鋭化した第１の探針部２１および第２の探針部２１１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。シリコン活性層２４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、他に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）から（ｄ）に示すように、本体部２３を形成する。まず、図６（ａ）に示すように、シリコン酸化膜３３をエッチングすることにより本体部２３を形成するためのマスクとなるシリコン酸化膜３３をパターニングする。つぎに、図６（ｂ）に示すように、第１の探針部２１、第２の探針部２１１、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３２を形成する。そして、図６（ｃ）に示すように、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。さらに、図６（ｄ）に示すように、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によってシリコン酸化膜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３２を除去することでプローブ２０が製作される。

本実施例においては、探針部の水平断面形状を円形としたが、これに限られることはなく、四角形や半円形などいずれの形状でも良い。

また、本実施例の他の例として、図７に示すように、カンチレバー２２の厚みを変化させた形としても良い。図７は本実施例の図３におけるＡ−Ａ´断面図である。

図８から図１４は、本発明に係る第２実施形態を示している。図８に走査型プローブ顕微鏡のブロック図を示す。図９にプローブの平面図、図１０から図１３にはプローブの製造工程の工程図を示す。図１４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。この第２実施形態において前述した第１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８に示すように、本実施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第１の探針部２１および第２の探針部２１１を有するプローブ２０１と、プローブ２０１の第１の探針部２１および第２の短針部２１１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５００とを備えている。プローブ２０１は、第１の探針部２１および第２の短針部２１１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５００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、第１の探針部２１および第２の短針部２１１の変位を測定する変位検出手段６０はカンチレバー２２ａの基端部およびカンチレバー２２ｂ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部の変位を測定するものとした。

図９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は上下逆となるように示されている。

図９に示すように、プローブ２０１は、先鋭化された第１の探針部２１および第２の探針部２１１と、第１の探針部２１が先端部に突出して設けられたカンチレバー２２ａと第２の探針部２１１が先端部に突出して設けられたカンチレバー２２ｂとからなるカンチレバー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とを備える。カンチレバー２２ａとカンチレバー２２ｂの境界部にはカンチレバー２２ａの撓みを検出するピエゾ抵抗素子４０ａ、また、カンチレバー２２の基端部には、カンチレバー２２ｂの撓みを検出するピエゾ抵抗素子４０ｂが形成され、カンチレバー２２および本体部２３にはピエゾ抵抗素子４０ａ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４１ａ、４２ａとピエゾ抵抗素子４０ｂ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４１ｂ、４２ｂとが形成されている。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１０および図１１、図１３は図９の切断線Ｂ−Ｂ´における断面図であり、図１２は図９の切断線Ｃ−Ｃ´における断面図である。

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。

まず、図１０（ａ）のように、ＳＯＩ基板２７の表面および裏面を熱酸化することによりシリコン酸化膜３３を形成する。さらに表面側のシリコン酸化膜３３上にエッチングマスクとなるフォトレジスト膜５０を形成する。次にフォトレジスト膜５０をマスクとしてバッファードフッ酸溶液（ＢＨＦ）を用いて表面側のシリコン酸化膜３３をエッチングすることにより図１０（ｂ）に示すように第１の探針部２１および第２の探針部２１１を形成するためのマスクとなるシリコン酸化膜３３をパターニングする。つづいて、パターニングしたシリコン酸化膜３３をマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）することで、図１０（ｃ）に示すように、マスクであるシリコン酸化膜３３の下に第１の探針部２１および第２の探針部２１１が形成される。そして、バッファードフッ酸溶液（ＢＨＦ）を用いてマスクであるシリコン酸化膜３３をエッチングすることにより、図１０（ｄ）に示すとおり、先鋭化した第１の探針部２１および第２の探針部２１１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。シリコン活性層２４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、他に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等がある。

次に、図１１に示すように、カンチレバー２２ａとカンチレバー２２ｂの境界部にはカンチレバー２２ａの撓みを検出するピエゾ抵抗素子４０ａ、また、カンチレバー２２の基端部には、カンチレバー２２ｂの撓みを検出するピエゾ抵抗素子４０ｂを形成する。まず、図１１（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５１でパターニングする。つぎに図１１（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４０ａおよびピエゾ抵抗素子４０ｂを形成する範囲のフォトレジスト膜５１を除去する。そして、図１１（Ｃ）に示すとおり、フォトレジスト膜５１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５１を除去することでカンチレバー２２ａとカンチレバー２２ｂの境界部にはカンチレバー２２ａの撓みを検出するピエゾ抵抗素子４０ａ、また、カンチレバー２２の基端部には、カンチレバー２２ｂの撓みを検出するピエゾ抵抗素子４０ｂを形成する。つぎに、図１１（ｄ）に示すようにカンチレバー２２の表面上に絶縁層２８を形成する。絶縁層２８は熱酸化法によって形成される。本プロセスに使用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。

続いて、図１２（ａ）から図１２（ｄ）に示すように、ピエゾ抵抗素子４０ｂに電極配線４１ｂ、４２ｂを形成する。まず、ピエゾ抵抗素子４０ｂ上の絶縁層２８を除去してピエゾ抵抗素子用電極配線４１ｂおよび４２ｂの接続部を形成する。図１２（ａ）に示すように、接続部となる部分以外の部分をフォトレジスト膜５２でパターニングして保護する。レジストで保護されていない部分の絶縁層２８はフッ酸に浸漬することにより除去し、更にレジスト５２も除去する。次に、図１２（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、つまりウエハの表面側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１２（ｃ）に示すように、ピエゾ抵抗素子用電極配線４１ｂおよび４２ｂとなる部分にフォトレジスト膜５３をパターニング形成する。図１２（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、つづいてフォトレジスト膜５３を除去することによってピエゾ抵抗素子用電極配線４１ｂおよび４２ｂが形成される。

なお、ピエゾ抵抗素子用電極配線４１ｂおよび４２ｂとなる電極配線材料を形成する方法は、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４１ｂおよび４２ｂを形成する方法としても良い。

また、図示しないが、ピエゾ抵抗体４０ａに電極配線４１ａ、４２ａを形成するプロセスも、ピエゾ抵抗素子４０ｂに電極配線４１ｂ、４２ｂを形成するプロセスと同時に行う。

次に、図１３（ａ）から（ｄ）に示すように、本体部２３を形成する。まず、図６（ａ）に示すように、シリコン酸化膜３３をエッチングすることにより本体部２３を形成するためのマスクとなるシリコン酸化膜３３をパターニングする。つぎに、図１３（ｂ）に示すように、第１の探針部２１、第２の探針部２１１、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５４を形成する。そして、図１３（ｃ）に示すように、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。さらに、図１３（ｄ）に示すように、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によってシリコン酸化膜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５４を除去することでプローブ２０１が製作される。

本実施例においては、探針部の断面形状を円形としたが、これに限られることはなく、四角形や半円形などいずれの形状でも良い。

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１４に示すようにカンチレバー２２ａとカンチレバー２２ｂの境界部にはスリット７０、カンチレバー２２の基端部には、スリット７１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２２ａおよび２２ｂの基端部が、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層をコートしたものなどでも良い。

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、探針部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、カンチレバーが１つ設けられるものとしたが、これに限ることは無く、複数のカンチレバーを設けることで、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がこれに限ることはない。

本発明の第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係るプローブの要部を示す部分斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係るプローブの全体を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプローブの要部を示す部分断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプローブの変形例の要部を示す部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係るプローブの全体を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るプローブの変形例を示す全体平面図である。

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
５００ 加振手段
５ 加振電源
６、６０ 変位検出手段
７ コンピュータ
９ 試料支持部
２０、２０１ プローブ
２１ 第１の探針部
２１１ 第２の探針部
２２、２２ａ、２２ｂ 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 絶縁層
３３ シリコン酸化膜
３１、３２、５０、５１、５２、５３、５４ フォトレジスト膜
４０ａ、４０ｂ ピエゾ抵抗素子
４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ ピエゾ抵抗素子用電極配線
７０、７１ スリット
１００ 試料

Claims (8)

1. カンチレバーと、該カンチレバーを支持する本体部とからなるプローブであって、前記カンチレバーに先鋭化された探針部が複数設けられていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用プローブ。
2. 複数の前記探針部がそれぞれ前記カンチレバーの中心軸上に配置されていることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡用プローブ。
3. 前記カンチレバーの厚みが部分的に異なっていることを特徴とする請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡用プローブ。
4. 前記カンチレバーの幅が部分的に異なっていることを特徴とする請求項２または請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡用プローブ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡用プローブと、
   前記プローブの複数の前記探針部を、試料表面に対して相対的に平行に走査するとともに垂直方向に移動させる移動手段と、
   前記移動手段により走査される複数の前記探針部の、前記試料表面の形状に応じた変位データを検出する変位検出手段と、
   を備える走査型プローブ顕微鏡。
6. 少なくとも１つの前記探針部を任意の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、前記探針部の振動状態を検出する振動検出手段である請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 前記変位検出手段を前記カンチレバー内に設けてある請求項５または請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
8. 前記変位検出手段はピエゾ抵抗素子である請求項５乃至７のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。

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