JP2008241683A - Probe for microscope and scanning probe microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、試料表面を観察する顕微鏡用プローブ及び走査型プローブ顕微鏡に関する。 The present invention relates to a microscope probe and a scanning probe microscope for observing a sample surface.
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。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正確な温度分布を測定する方法(例えば、特許文献1参照。)あるいは、試料表面の凹凸形状とともに試料表面の微小領域での表面電位を測定する方法(例えば、特許文献2参照。)が提案されている。
しかし、上述の特許文献1のカンチレバーにおいては、カンチレバー先端に熱電対を形成することで試料表面の凹凸形状と温度分布を分離して観察することを可能としたものであり、特許文献2のSPMプローブにおいてはSPMプローブの探針とその近傍に導電性を付与し、探針から電極配線を形成することで、試料表面の凹凸形状と、試料と探針の間に電圧を印加することで試料表面の表面電位とを測定する事を可能としたものであり、いずれの方法とも、ひとつのカンチレバーで測定できる特性は試料表面の凹凸形状以外に一種類であった。 However, in the above-described cantilever of Patent Document 1, it is possible to separate and observe the uneven shape and temperature distribution of the sample surface by forming a thermocouple at the tip of the cantilever. In the probe, conductivity is imparted to the probe of the SPM probe and the vicinity thereof, and electrode wiring is formed from the probe, thereby applying a voltage between the sample and the probe by applying voltage between the sample and the probe. It was possible to measure the surface potential of the surface, and in any method, the characteristics that could be measured with one cantilever were one type other than the uneven shape of the sample surface.
そのため、例えば、試料の温度分布と表面電位の両特性を測定したい場合には、それぞれの特性に対応したカンチレバーを付けかえて測定しなければならない。つまり、カンチレバーを付替える度に、試料の測定位置合わせを行わなければならないため、試料上の微小部位の測定を行う場合などは、正確に同じ位置の測定を行うといった事が困難であった。また、カンチレバーを付替えて再度位置合わせを行うのに時間を要するため試料特性が経時的に変化してしまう試料などの測定は不可能であった。 Therefore, for example, when it is desired to measure both the temperature distribution and the surface potential characteristics of the sample, it is necessary to replace the cantilever corresponding to each characteristic. That is, every time the cantilever is replaced, the measurement position of the sample must be adjusted. Therefore, when measuring a minute part on the sample, it is difficult to measure the exact same position. In addition, since it takes time to replace the cantilever and perform alignment again, it is impossible to measure a sample whose sample characteristics change over time.
また、カンチレバーを複数備えたいわゆるマルチカンチレバーとして、カンチレバーを付替える手間を省略する方法が考えられるが、マルチカンチレバーの場合は、例えば1本目のカンチレバーで測定を行った後、2本目のカンチレバーで測定を行う場合は、1本目のカンチレバーが試料面の別な部位に干渉してしまう課題があった。対策方法として、1本目のカンチレバーを試料面に干渉しないように逃がす方法が提案されているが、カンチレバーをそらすための構造を付与する必要がある。また、プローブ(もしくは試料)測定部位に移動する必要があり、厳密に同じ位置の測定を行うことは困難であった。 In addition, as a so-called multi-cantilever with a plurality of cantilevers, a method of omitting the trouble of changing the cantilever can be considered. When performing the above, there is a problem that the first cantilever interferes with another part of the sample surface. As a countermeasure, a method of releasing the first cantilever so as not to interfere with the sample surface has been proposed, but it is necessary to provide a structure for deflecting the cantilever. In addition, it is necessary to move to a probe (or sample) measurement site, and it is difficult to perform measurement at exactly the same position.
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、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である顕微鏡用プローブ及び走査型顕微鏡を提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides a microscope probe and a scanning microscope capable of simultaneously measuring the shape of a sample surface and a plurality of physical properties in a minute region. It is to be.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。 In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
本発明の顕微鏡用プローブは、上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に設けられ、先鋭化された探針部と、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、前記カンチレバーの先端部に第2の端部を有する第2の金属構造体と、前記探針部およびその近傍に形成された導電層と、前記カンチレバーの上面に前記第1の金属構造体および前記第2の金属構造体から離間して設けられ、前記導電層に接続された第3の金属構造体と、前記第1の端部および前記第2の端部が重なることで形成された温度測定素子と、前記導電層および前記第3の金属構造体からなる電気特性検出素子と、を有する構成とした。 The microscope probe according to the present invention includes a cantilever having an insulating layer on an upper surface, a sharpened probe portion provided at the tip of the cantilever, a top surface of the cantilever, and a first portion at the tip of the cantilever. A first metal structure having a second end, a second metal structure provided on an upper surface of the cantilever and having a second end at a tip of the cantilever, the probe portion and the vicinity thereof A conductive layer formed; a third metal structure provided on the upper surface of the cantilever and spaced apart from the first metal structure and the second metal structure; and connected to the conductive layer; A temperature measuring element formed by overlapping the first end portion and the second end portion, and an electric characteristic detecting element made of the conductive layer and the third metal structure are used.
上記発明に係る顕微鏡用プローブによれば、第1の金属構造体の第1の端部と第2の金属構造体の第2の端部が重なることで形成された温度測定用素子と、探針およびその近傍に形成された導電層と第3の金属構造体からなる電気特性検出素子とにより、試料の表面形状を測定するとともに試料の温度特性および電気特性を正確に測定することができる。 According to the microscope probe according to the above invention, the temperature measuring element formed by overlapping the first end of the first metal structure and the second end of the second metal structure, the probe The surface shape of the sample can be measured and the temperature characteristic and the electrical characteristic of the sample can be accurately measured by the electric characteristic detecting element comprising the needle and the conductive layer formed in the vicinity thereof and the third metal structure.
さらに、本発明の顕微鏡用プローブは、上記顕微鏡用プローブにおいて、カンチレバーの基端部に撓み易い応力集中部を有し、該応力集中部は前記カンチレバーの中心軸に対して左右均等のバネ定数を有する構成とした。 Furthermore, the microscope probe of the present invention has a stress concentration portion that is easily bent at the proximal end portion of the cantilever in the microscope probe, and the stress concentration portion has a spring constant that is equal to the left and right with respect to the central axis of the cantilever. It was set as the structure which has.
この発明に係る顕微鏡用プローブによれば、カンチレバーの撓み易い応力集中部が、中心軸に対して左右均等のバネ定数を有する構成となっているため、測定時のカンチレバー全体のたわみが均等になり、精度の高い観察が可能となる。 According to the microscope probe according to the present invention, since the stress concentration portion where the cantilever is easily bent has a spring constant equal to the left and right with respect to the central axis, the deflection of the entire cantilever during measurement becomes uniform. Highly accurate observation is possible.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、前述した顕微鏡用プローブと、探針部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、探針部を試料の表面に対して相対的に平行で、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を検出する温度特性検出手段と、電気特性検出素子と試料表面との間に流れる電流変化や、試料表面の表面電位を計測する電気特性検出手段を備える構成とした。 Further, the scanning probe microscope of the present invention includes the above-described microscope probe and the displacement of the probe that is displaced according to the sample surface shape by scanning the sample surface with the probe portion approaching the surface to be measured of the sample. Displacement detecting means for detecting data, moving means for scanning the probe part in two directions relatively parallel to the sample surface and perpendicular to each other, and moving in a direction perpendicular to the sample surface, and for temperature measurement The temperature characteristic detecting means for detecting the thermoelectromotive force of the element and the electric characteristic detecting means for measuring a change in current flowing between the electric characteristic detecting element and the sample surface and the surface potential of the sample surface are provided.
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だけではなく、温度分布や熱特性と、電気特性検出素子と試料表面との間に流れる電流変化や、試料表面の表面電位とを同時に感度良く測定することができる。 According to the scanning probe microscope according to the present invention, not only the shape of the sample surface microregion having irregularities on the surface, but also the temperature distribution and thermal characteristics, and the current change flowing between the electrical property detection element and the sample surface, The surface potential of the sample surface can be simultaneously measured with high sensitivity.
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、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。 Further, the scanning probe microscope of the present invention comprises a vibration means for resonating or forcibly vibrating the probe section at an arbitrary frequency, and the displacement detection means is a vibration detection means for detecting the vibration state of the probe section. It was.
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。 According to the scanning probe microscope according to the present invention, when measuring the surface shape of a sample by vibrating a cantilever such as a DFM (Dynamic Force Mode), the resonance frequency of the cantilever is increased, and the interaction with the sample is highly sensitive. Can be measured.
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。 In the probe of the present invention, the displacement detection means is provided in the cantilever.
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。 Further, the displacement detecting means is a piezoresistive element.
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。 According to the probe of the present invention, since it is not necessary to provide the cantilever with a reflecting surface for reflecting the laser light, it is not necessary to be restricted by the shape of the cantilever, the degree of freedom in designing the probe is improved, and it is easy to manufacture. In addition, since a large-scale device such as a laser light source is unnecessary, the device cost and the device space can be reduced.
本発明によれば、試料表面の形状および微小領域での、試料表面の微小領域の形状だけではなく、温度分布、熱特性と、電気特性検出素子と試料表面との間に流れる電流変化や、試料表面の表面電位とを同時に精度よく測定することができる。 According to the present invention, not only the shape of the sample surface and the shape of the minute region of the sample surface, but also the temperature distribution, the thermal characteristics, and the current change flowing between the electrical property detecting element and the sample surface, The surface potential of the sample surface can be simultaneously measured with high accuracy.
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。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
図1から図11は、この発明に係る第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9にはプローブの製造工程の工程図を示す。また、図10、図11には本第一実施形態の変形例を示している。 1 to 11 show a first embodiment according to the present invention. FIG. 1 shows a block diagram of a scanning probe microscope. 2 is a perspective view of the probe, FIG. 3 is a plan view, and FIG. 4 is a cross-sectional view. FIGS. 5 to 9 show process diagrams of the probe manufacturing process. 10 and 11 show a modification of the first embodiment.
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部21を有するプローブ20と、プローブ20の探針部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500とを備えている。プローブ20は、探針部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、該カンチレバー22の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。なお、図1では、カンチレバー22の上面が下向きとなるように図示されている。
As shown in FIG. 1, a scanning probe microscope 1 includes a
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。
The sample moving means 3 supports the
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の探針部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、探針部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。
Further, as shown in FIG. 1, the scanning probe microscope 1 includes a displacement detection unit 6 that detects a vibration state of the
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、探針部21近傍に設置された温度測定用素子で発生する熱起電力を測定する温度特性検出手段8と、探針21表面およびその近傍に形成された電気特性検出素子に接続され、試料上面Sとの間に流れる電流変化や、試料上面Sの表面電位を計測する電気特性検出手段10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、温度特性検出手段8、および電気特性検出手段10と接続されている。
As shown in FIG. 1, the scanning probe microscope 1 includes a temperature
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、電気特性を測定する。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、温度特性および電気特性を測定する。
With the above configuration, the scanning probe microscope 1 measures the surface shape, temperature characteristics, and electrical characteristics of the
プローブ20の探針部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。
If there is unevenness at the position where the
さらに、試料100の表面形状の測定と平行して、探針部21近傍に発生する熱起電力、および電気特性を測定する。これらの試料100の表面形状、温度特性、および電気特性の測定結果は、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。
Further, in parallel with the measurement of the surface shape of the
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。
Next, a detailed configuration of the
図2はプローブ20の要部を示す部分斜視図であるが、走査型プローブ顕微鏡1に搭載される向きとは上下逆となるように記載されている。
FIG. 2 is a partial perspective view showing the main part of the
図2に示すように、プローブ20は、尖鋭化された探針部21と、探針部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、第1の金属構造体29と、第2の金属構造体30と、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30の第2の端部301が重なり合うことで形成された温度測定用素子と、探針部21およびその近傍に形成された導電層70と、この導電層70に接続された第3の金属構造体80と、導電層70および第3の金属構造体80からなる電気特性検出素子とを備える。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との間に介装された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。
As shown in FIG. 2, the
また、図3及び図3の平面図中に記載したカンチレバー22の中心軸(カンチレバー22の幅方向中央を通ってカンチレバー22の長手方向に延びる軸線)をしめすA−A´における断面を示した図4のとおり、カンチレバー22の上面には絶縁層28が形成され、絶縁層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、第2の金属構造体30および第3の金属構造体80が形成されている。絶縁層28は、例えば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。また、第3の金属構造体は、例えばアルミからなる金属膜で形成されている。探針部21は、カンチレバー22の上面の先端部に形成されており、その表面および近傍には白金からなる導電層70を形成することで導電性を持たせてある。探針部21および導電層70、第3の金属構造体80により電気特性検出素子を構成している。なお、第3の金属構造体および導電層はそれぞれアルミと白金に限ることは無く金属など導電性を有する材料であればよい。
3 and FIG. 3 are cross-sectional views taken along the line AA ′ showing the central axis of the cantilever 22 (the axis extending in the longitudinal direction of the
この実施形態のプローブ20では、温度測定用素子が探針部21近傍に形成されているため、試料の温度が温度測定用素子にロスが少ない状態で伝わり、熱起電力を発生することから、図1に示す温度特性検出手段8によって試料100の温度特性を高精度に測定することができる。また、探針部21近傍に形成された導電層70および第3の金属構造体80により構成された電気特性検出素子によって測定された電気的特性、例えば導電層70と試料100との間に流れる電流変化や試料100の表面電位を、図1に示す電気特性検出手段10によって高精度に、かつ温度特性と同時に測定することが出来る。また、探針21は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、探針部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、および電気特性の測定も追従性良く高精度に行うことが可能となる。
In the
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。
Next, a method for manufacturing the
図5から図9は図3のA−A´断面におけるプローブ20の形成工程断面図である。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)に示すように探針部21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の下に探針21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、先の先鋭化した探針部21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。
5 to 9 are cross-sectional views of the formation process of the
次に、図6(a)に示すように、シリコン活性層24の探針21及び探針近傍以外の部分をシリコン酸化膜で被覆することで絶縁層28を形成する。つづいて、図6(b)に示すように、探針部21の表面およびその近傍をスパッタリングにより白金などで被覆することで導電層70を形成する。さらに図6(c)に示すようにアルミなどで導電層70からカンチレバー22及び本体部23にいたる第3の金属構造体80(導電層70部分のみを図示)を形成する。
Next, as shown in FIG. 6A, the insulating
次に、図7(a)に示すように探針部21、導電層70および第3の金属構造体80を形成したシリコン活性層24上の第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34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34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。
Next, as shown in FIG. 7A, portions other than the portion to be the
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。
同様にして、金属構造体30も形成する。図8(a)に示すように探針部21、導電層70、第3の金属構造体80および第1の金属構造体29を形成したシリコン活性層24上の第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35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35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。
In addition, the method of forming the chromium film used as the
Similarly, the
なお、第2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。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ニッケル膜を成膜し、第2の金属構造体30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ニッケル膜をエッチングにより除去することで、第2の金属構造体30を形成する方法としても良い。
さらには、第1の金属構造体29と、第2の金属構造体30の形成の順序についてもこの限りではなく、第2の金属構造体を形成した後に第1の金属構造体を形成しても良い。
In addition, the method of forming the nickel film used as the
Furthermore, the order of formation of the
次に、図9(a)から(d)に示すように、本体部23を形成する。まず、図9(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9(b)に示すように、探針部21、導電層70、第1の金属構造体29(291)、第2の金属構造体30(301)および第3の金属構造体80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36を形成する。そして、図9(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9(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36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。
Next, as shown in FIGS. 9A to 9D, the
ここで、本第1実施形態の顕微鏡用プローブの変形例について図10及び図11を参照して説明する。図10は、本発明の第1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り、図11は、図10における切断線B−B´での部分断面図である。ここで、切断線B−B´はカンチレバー22の中心軸(カンチレバー22の幅方向中央を通ってカンチレバー22の長手方向に延びる軸線)でもある。
Here, a modification of the microscope probe of the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is an overall plan view showing a modification of the probe according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a partial sectional view taken along the cutting line BB ′ in FIG. Here, the cutting line BB ′ is also a central axis of the cantilever 22 (an axis extending in the longitudinal direction of the
図10に示す顕微鏡用のプローブ20においては、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とが重なり合うことで形成された温度測定用素子が、絶縁層90を介して第3の金属構造体80上に形成されていることとした。このように温度測定用素子を形成させても、図3に示したプローブ20と同様の作用・効果を発揮できる。
In the
図12から図21は、この発明に係る第2の実施形態を示している。図12に走査型プローブ顕微鏡のブロック図を示す。図13にプローブの平面図、図14から図20にはプローブの製造工程の工程図を示す。図21は本第2実施形態の変形例を示す全体平面図であり、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。 12 to 21 show a second embodiment according to the present invention. FIG. 12 shows a block diagram of a scanning probe microscope. FIG. 13 is a plan view of the probe, and FIGS. 14 to 20 are process diagrams of the probe manufacturing process. FIG. 21 is an overall plan view showing a modification of the second embodiment, and shows an example in which a slit is formed at the base of the cantilever. In this second embodiment, members that are the same as those used in the first embodiment described above are assigned the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
図12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、主な構成については実施例1の記述した図1の説明と同様であるが、プローブ201の探針部21の変位を測定する手段として、カンチレバー22の基端部に備えられた、カンチレバーの撓みを検出するピエゾ抵抗素子を採用し、このピエゾ抵抗素子に接続された変位検出手段60が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。
As shown in FIG. 12, the
図13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。
FIG. 13 is an overall plan view of the
図13に示すように、プローブ201は、尖鋭化された探針部21と、探針部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、第1の金属構造体29と、第2の金属構造体30と、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30の第2の端部301が重なり合うことで形成された温度測定用素子と、探針部21およびその近傍に形成された導電層70と、この導電層70に接続された第3の金属構造体80と、導電層70および第3の金属構造体80からなる電気特性検出素子と、を備える。温度測定用素子と第3の金属構造体80は絶縁層90により電気的に絶縁されている。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との間に介装された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。
As shown in FIG. 13, the
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14は、図13における切断線C−C´での部分断面図、図15及び図16は、図13における切断線D−D´での部分断面図、図17及び図18は、図14と同じく図13における切断線C−C´での部分断面図である。ここで、切断線C−C´はカンチレバー22の中心軸でもある。
Next, a method for manufacturing the
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。
As described above, the
まず、図14(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14(b)に示すように探針部21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14(c)に示すように、マスクであるシリコン酸化膜33の下に探針21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14(d)に示すとおり、先の先鋭化した探針部21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。
First, as shown in FIG. 14A, the
次に、図15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。まず、図15(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15(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51を除去する。そして、図15(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、図15(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。
Next, as shown in FIG. 15, the
つぎに、図示しないが、カンチレバー22の上面に絶縁層28を形成する。絶縁層28は熱酸化法によって形成される。
Next, although not shown, an insulating
つづいて、図16(a)から図16(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16(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層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16(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16(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16(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。
Subsequently, as shown in FIGS. 16A to 16D, electrode wiring is formed on the
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。
The method of forming the piezoresistive
次に、図17(a)に示すように、シリコン活性層24の探針21及び探針近傍以外の部分をシリコン酸化膜で被覆することで絶縁層28を形成する。つづいて、図17(b)に示すように、探針部21の表面およびその近傍をスパッタリングにより白金などで被覆することで導電層70を形成する。さらに図17(c)に示すようにアルミなどで導電層70からカンチレバー22及び本体部23にいたる第3の金属構造体80を形成する。
次に、図18(a)から図18(c)に示すように、金属構造体形成工程において、絶縁層28上に第1の金属構造体29を形成する。まず、図18(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18(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18(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。
Next, as shown in FIG. 17A, the insulating
Next, as shown in FIGS. 18A to 18C, a
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。
同様にして、金属構造体30も形成する。図19(a)に示すように探針部21、導電層70、第3の金属構造体80および第1の金属構造体29を形成したシリコン活性層24上の第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19(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19(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。
In addition, the method of forming the chromium film used as the
Similarly, the
なお、第2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。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ニッケル膜を成膜し、第2の金属構造体30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ニッケル膜をエッチングにより除去することで、第2の金属構造体30を形成する方法としても良い。さらには、第1の金属構造体29と、第2の金属構造体30の形成の順序についてもこの限りではなく、第2の金属構造体を形成した後に第1の金属構造体を形成しても良い。
In addition, the method of forming the nickel film used as the
次に、図20(a)から(d)に示すように、本体部23を形成する。まず、図9(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20(b)に示すように、探針部21、導電層70、第1の金属構造体29(291)、第2の金属構造体30(301)および第3の金属構造体80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56を形成する。そして、図20(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20(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56を除去することでプローブ201が製作される。
Next, as shown in FIGS. 20A to 20D, the
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。 In the present embodiment, the probe section has a circular cross-sectional shape, but is not limited thereto, and may be any shape such as a quadrangle or a semicircle. In each of the above-described steps, patterning is performed by exposing the photoresist film. However, the present invention is not limited to this, and a direct drawing method using an electron beam or the like may be used.
また、本実施例においてはその変形例として、図21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応力集中部となり、更に精度の高い測定を可能とする。
Further, in the present embodiment, as a modification thereof, as shown in FIG. 21, a structure in which a
なお、このような応力集中部を基端部に形成した自己検知型のカンチレバーの場合には、以下に述べる実施例が有効である。 In the case of a self-detecting cantilever in which such a stress concentration portion is formed at the base end portion, the embodiments described below are effective.
図22から図29は、この発明に係る第3の実施形態を示している。図22は本第3の実施形態のプローブの全体平面図である。図23から図27は、図22における切断線E−E´での部分断面図および切断線F−F´での部分断面図であり、図23は、本第3の実施形態のプローブを説明するための参考部分断面図、図24から図27は、本第3の実施形態のプローブの変形例を示している。 22 to 29 show a third embodiment according to the present invention. FIG. 22 is an overall plan view of the probe of the third embodiment. 23 to 27 are a partial cross-sectional view taken along a cutting line EE ′ and a partial cross-sectional view taken along a cutting line FF ′ in FIG. 22, and FIG. 23 illustrates a probe according to the third embodiment. FIG. 24 to FIG. 27 are reference partial cross-sectional views for illustrating the modification of the probe of the third embodiment.
この第3実施形態において前述した第1実施形態および第2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22はプローブ211の全体平面図であるが、走査型プローブ顕微鏡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。
In the third embodiment, the same members as those used in the first embodiment and the second embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. FIG. 22 is an overall plan view of the
図22に示すように、プローブ211は、尖鋭化された探針部21と、探針部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、第1の金属構造体29と、第2の金属構造体30と、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30の第2の端部301が重なり合うことで形成された温度測定用素子と、探針部21およびその近傍に形成された導電層70と、この導電層70に接続された第3の金属構造体80と、導電層70および第3の金属構造体80からなる電気特性検出素子と、を備える。温度測定用素子と第3の金属構造体80は絶縁層90により電気的に絶縁されている。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との間に介装された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。ここで、切断線E−E´および切断線F−F´は、カンチレバー22のピエゾ抵抗素子40が形成された部分の部分断面図であるが、切断線F−F´部分は、特にカンチレバー22の基端部にスリット24Sが形成され、カンチレバー22の基端部がたわみやすい応力集中部となっている部分である。ここで、スリット24Sは、カンチレバー22の中心軸と略平行に延びるようにして、第1の金属構造体29と第3の金属構造体80との間、第2の金属構造体30と第3の金属構造体80との間にそれぞれ1つずつ、合計2つ設けられている。
As shown in FIG. 22, the
本第3の実施形態の製造方法は、上述した第2の実施形態における方法と同様であるが、本第3の実施形態に述べる4種の変形例それぞれにおいて一部製造方法が異なる部分があるので、その部分については個別に記述する。 The manufacturing method according to the third embodiment is the same as the method according to the second embodiment described above, but there are some differences in the manufacturing method in each of the four types of modifications described in the third embodiment. Therefore, the part is described separately.
図24は第3の実施形態におけるプローブのひとつの変形例の断面図である。(a)は切断線E−E´での部分断面図、(b)は切断線F−F´での応力集中部を示す部分断面図である。 FIG. 24 is a cross-sectional view of one modified example of the probe in the third embodiment. (A) is a fragmentary sectional view in cutting line EE ', (b) is a fragmentary sectional view which shows the stress concentration part in cutting line FF'.
上述の製造方法において、カンチレバー22の基端部に備えられた、応力集中部分における第2の金属構造体30(301)の形成厚みを、第1の金属構造体29(291)よりも厚くもしくは薄く形成することで、カンチレバー22の基端部に備えられた、応力集中部分の左右のたわみが同等となるようにするものである。すなわち、カンチレバー22の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となるように、第1の金属構造体29(291)及び第2の金属構造体30(301)の互いの形成厚みが調整されている。本実施例においては、第2の金属構造体30(301)の形成厚みを第1の金属構造体29(291)形成厚みよりも相対的に厚くした例を示したが、この限りではなく、逆に第2の金属構造体30(301)の形成厚みを第1の金属構造体29(291)形成厚みよりも相対的に薄くしてもよい。また、図示しないが、カンチレバー22の基端部に備えられた、応力集中部分のみの第2の金属構造体30(301)の形成厚みを厚くもしくは薄くしても良いし、第2の金属構造体30(301)全体の形成厚みを厚くもしくは薄くしても良い。
In the manufacturing method described above, the formation thickness of the second metal structure 30 (301) at the stress concentration portion provided at the base end of the
図25は第3の実施形態におけるプローブのひとつの変形例の断面図である。(a)は切断線E−E´での部分断面図、(b)は切断線F−F´での部分断面図である。上述の製造方法において、カンチレバー22の基端部に備えられた、応力集中部分における第2の金属構造体30(301)の形成幅を、第1の金属構造体29(291)よりも広くもしくは狭く形成することで、カンチレバー22の基端部に備えられた、応力集中部分の左右のたわみが同等となるようにするものである。すなわち、カンチレバー22の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となるように、第1の金属構造体29(291)及び第2の金属構造体30(301)の互いの形成幅が調整されている。本実施例においては、第2の金属構造体30(301)の形成幅を第1の金属構造体29(291)形成幅よりも相対的に広くした例を示したが、この限りではなく、逆に第2の金属構造体30(301)の形成幅を第1の金属構造体29(291)形成幅よりも相対的に狭くしてもよい。また、図示しないが、カンチレバー22の基端部に備えられた、応力集中部分のみの第2の金属構造体30(301)の形成幅を広くもしくは狭くしても良いし、第2の金属構造体30(301)全体の形成幅を広くもしくは狭くしても良い。
FIG. 25 is a sectional view of one modification of the probe in the third embodiment. (A) is the fragmentary sectional view in cutting line EE ', (b) is the fragmentary sectional view in cutting line FF'. In the manufacturing method described above, the formation width of the second metal structure 30 (301) at the stress concentration portion provided at the base end of the
図26は第3の実施形態におけるプローブのひとつの変形例の断面図である。(a)は切断線E−E´での部分断面図、(b)は切断線F−F´での部分断面図である。上述の製造方法において、カンチレバー22の基端部に備えられた、応力集中部分の一方のシリコン活性層24aの厚みを、他方のシリコン活性層24bよりも厚くもしくは薄くなるように形成することで、カンチレバー22の基端部に備えられた、応力集中部分の左右のたわみが同等となるようにするものである。すなわち、カンチレバー22の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となるように、カンチレバー22の中心を挟んだシリコン活性層24aの互いの厚みが調整されている。本実施例においては、一方のシリコン活性層24aの厚みを、他方のシリコン活性層24bよりも厚く形成した例を示したがこの限りではなく、逆に一方のシリコン活性層24aの厚みを、他方のシリコン活性層24bよりも薄くしても良い。また、図示しないが、カンチレバー22の基端部に備えられた、応力集中部分のシリコン活性層24aのみの形成厚みを厚くもしくは薄くしても良いし、応力集中部分を含むカンチレバー22の一部の形成厚みを厚くもしくは薄くしても良い。
FIG. 26 is a cross-sectional view of one modified example of the probe in the third embodiment. (A) is the fragmentary sectional view in cutting line EE ', (b) is the fragmentary sectional view in cutting line FF'. In the above manufacturing method, by forming the thickness of one silicon
図27は第3の実施形態におけるプローブのひとつの変形例の断面図である。(a)は切断線E−E´での部分断面図、(b)は切断線F−F´での部分断面図である。上述の製造方法において、カンチレバー22の基端部に備えられた、応力集中部分の一方のシリコン活性層24aの幅を、他方のシリコン活性層24bよりも広くもしくは狭くなるように形成することで、カンチレバー22の基端部に備えられた、応力集中部分の左右のたわみが同等となるようにするものである。すなわち、カンチレバー22の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となるように、カンチレバー22の中心を挟んだシリコン活性層24aの互いの幅が調整されている。本実施例においては、一方のシリコン活性層24aの幅を、他方のシリコン活性層24bよりも狭く形成した例を示したがこの限りではなく、逆に一方のシリコン活性層24aの幅を、他方のシリコン活性層24bよりも狭くしても良い。
FIG. 27 is a cross-sectional view of one modified example of the probe in the third embodiment. (A) is the fragmentary sectional view in cutting line EE ', (b) is the fragmentary sectional view in cutting line FF'. In the above manufacturing method, by forming the width of one silicon
また、図28から図29は、この発明に係る第3の実施形態の変形例を示している。図28は本第3の実施形態の変形例を示すプローブの全体平面図である。図29は、図28における切断線G−G´での部分断面図および切断線H−H´での部分断面図である。 FIG. 28 to FIG. 29 show a modification of the third embodiment according to the present invention. FIG. 28 is an overall plan view of a probe showing a modification of the third embodiment. 29 is a partial cross-sectional view taken along a cutting line GG ′ and a partial cross-sectional view taken along a cutting line HH ′ in FIG.
この実施形態において前述した第1実施形態、第2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28はプローブ212の全体平面図であるが、走査型プローブ顕微鏡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。
In this embodiment, the same members as those used in the first embodiment and the second embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. FIG. 28 is an overall plan view of the
図28に示すように、プローブ212は、尖鋭化された探針部21と、探針部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、第1の金属構造体29と、第2の金属構造体30と、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30の第2の端部301が重なり合うことで形成された温度測定用素子と、探針部21およびその近傍に形成された導電層70と、この導電層70に接続された第3の金属構造体80と、導電層70および第3の金属構造体80からなる電気特性検出素子とを備えている。カンチレバー22の基端部には、スリット24Sが形成されて、カンチレバー22の基端部がたわみやすい応力集中部となっている。ここで、スリット24Sは、カンチレバー22の中心軸と略平行に延びるようにして、第1の金属構造体29と第3の金属構造体80との間、第2の金属構造体30と第3の金属構造体80との間にそれぞれ1つずつ、合計2つ設けられている。前記カンチレバーの基端部に設けられた撓み易い応力集中部の一方には、前記第1の金属構造体と近接する状態に形成された前記第2の金属構造体と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第4の金属構造体が設けられ、前記カンチレバーの基端部に設けられた撓み易い応力集中部の他方には、前記第2の金属構造体と近接する状態に形成された前記第1の金属構造体と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第5の金属構造体が設けられている。温度測定用素子と第3の金属構造体80は絶縁層90により電気的に絶縁されている。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との間に介装された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。
As shown in FIG. 28, the
本実施形態の製造方法については、上述した第2の実施形態における方法と同様の部分については省略する。製造方法が異なる部分については個別に記述する。 About the manufacturing method of this embodiment, the part similar to the method in 2nd Embodiment mentioned above is abbreviate | omitted. Parts with different manufacturing methods are described separately.
この実施形態のプローブ212の製造方法について順に説明する。
A method for manufacturing the
まず、第2の実施形態の図14から図17に説明した順にカンチレバーを作製していく。つづいて、図18(a)から図18(c)に示すように、金属構造体形成工程において、絶縁層28上に第1の金属構造体29および第5の金属構造体292を形成する。まず、図18(a)に示すように、第1の金属構造体29および第5の金属構造体292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18(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18(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および第5の金属構造体292が形成される。
First, cantilevers are manufactured in the order described in FIGS. 14 to 17 of the second embodiment. Subsequently, as shown in FIGS. 18A to 18C, in the metal structure forming step, the
なお、第1の金属構造体29および第5の金属構造体292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および第5の金属構造体292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および第5の金属構造体292を形成する方法としても良い。
Note that the method for forming the chromium film to be the
同様にして、金属構造体30および第4の金属構造体302も形成する。図19(a)に示すように探針部21、導電層70、第3の金属構造体80および第1の金属構造体29および第5の金属構造体292を形成したシリコン活性層24上の第2の金属構造体30および第4の金属構造体302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19(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19(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および第4の金属構造体302が形成される。
Similarly, the
なお、第2の金属構造体30および第4の金属構造体302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。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ニッケル膜を成膜し、第2の金属構造体30および第4の金属構造体302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ニッケル膜をエッチングにより除去することで、第2の金属構造体30および第4の金属構造体302を形成する方法としても良い。さらには、第1の金属構造体29および第5の金属構造体292と、第2の金属構造体30および第4の金属構造体302の形成の順序についてもこの限りではなく、第2の金属構造体および第4の金属構造体を形成した後に第1の金属構造体および第5の金属構造体292を形成しても良い。
Note that the method for forming the nickel film to be the
つづいて図20(a)から(d)に示すように、本体部23を形成する。詳細については第2実施形態と同様であるためここでは省略する。
Subsequently, as shown in FIGS. 20A to 20D, the
図29は第4実施形態におけるプローブの断面図である。(a)は切断線G−G´での部分断面図、(b)は切断線H−H´での部分断面図である。 FIG. 29 is a cross-sectional view of a probe in the fourth embodiment. (A) is the fragmentary sectional view in cutting line GG ', (b) is the fragmentary sectional view in cutting line HH'.
上述の製造方法において、カンチレバー22の基端部に備えられた応力集中部分の一方には、第1の金属構造体29(291)と近接する状態に形成され第2の金属構造体30(301)と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第4の金属構造体302が形成された状態、また、カンチレバー22の基端部に備えられた応力集中部分の他方には、第2の金属構造体30(301)と近接する状態に形成された第1の金属構造体29(291)と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第5の金属構造体292が形成された状態になっている。これにより、カンチレバー22の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となり、カンチレバー22の基端部に備えられた、応力集中部分の左右のたわみが同等となるようにするものである。
In the manufacturing method described above, the second metal structure 30 (301) is formed on one of the stress concentration portions provided at the base end of the
以上述べたように、本発明によれば、試料表面の形状および微小領域での、試料表面の微小領域の形状だけではなく、温度分布、熱特性と、電気特性検出素子と試料表面との間に流れる電流変化や、試料表面の表面電位とを同時に精度よく測定することができる。 As described above, according to the present invention, not only the shape of the sample surface and the shape of the minute region of the sample surface, but also the temperature distribution, the thermal characteristics, and the electrical property detecting element and the sample surface. The current change flowing through the surface and the surface potential of the sample surface can be simultaneously measured with high accuracy.
なお、カンチレバー22の探針部21探針上に磁性体をコーティングすることで試料表面微小領域の磁気特性を測定することもできる。
In addition, the magnetic characteristics of the micro area on the sample surface can be measured by coating a magnetic material on the
また、特に自己検知型のカンチレバーの場合には、カンチレバー22の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となるように、第1の金属構造体29(291)及び第2の金属構造体30(301)の互いの形成厚みを調整してもよい。
In particular, in the case of a self-detecting cantilever, the first metal structure 29 (291) and the second metal structure 30 (301) are set so that the left and right spring constants with respect to the central axis of the
あるいは、カンチレバー22の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となるように、第1の金属構造体29(291)及び第2の金属構造体30(301)の互いの形成幅を調整してもよい。
Alternatively, even if the formation widths of the first metal structure 29 (291) and the second metal structure 30 (301) are adjusted so that the left and right spring constants with respect to the central axis of the
あるいは、カンチレバー22の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となるように、カンチレバー22の中心を挟んだシリコン活性層24aの互いの厚みを調整してもよい。
Alternatively, the thicknesses of the silicon
あるいは、カンチレバー22の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となるように、カンチレバー22の中心を挟んだシリコン活性層24aの互いの幅を調整してもよい。
Alternatively, the widths of the silicon
あるいは、カンチレバー22の基端部に備えられた応力集中部分の一方には、第1の金属構造体29(291)と近接する状態に形成され第2の金属構造体30(301)と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第4の金属構造体302が形成された状態、また、カンチレバー22の基端部に備えられた応力集中部分の他方には、第2の金属構造体30(301)と近接する状態に形成された第1の金属構造体29(291)と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第5の金属構造体292が形成された状態としてもよい。
Alternatively, one of the stress concentration portions provided at the base end portion of the
このように構成することで、カンチレバー22で試料表面を走査する際のカンチレバー22全体のたわみがカンチレバー22の基端部に備えられた応力集中部分の左右のバネ定数が異なることによる影響を受けたたわみとなることを排除できるため、たとえば、実施例1に記載のレーザー光の反射を変位検出手段6として用いる場合においても、あるいは実施例2に記載のカンチレバー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部の変位を測定する方法においても真に試料表面の状態によるたわみを検出できることから精度の高い観察が可能となる。
With this configuration, the deflection of the
以上、本発明の第1、第2、第3の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこれら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。 The first, second, and third embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, specific configurations are not limited to these embodiments, and do not depart from the gist of the present invention. The range design changes are also included.
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。 The cantilever and the main body of the probe are formed from an SOI substrate, but the present invention is not limited to this, and a resin, semiconductor, glass, or metal coated with an insulating layer may be used.
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。 In addition, although a DFM mode scanning probe microscope that measures the surface shape of the sample by applying vibration to the probe is used, the present invention is not limited to this, and the probe may be used in an AFM mode that directly measures the displacement of the probe portion. It is possible to measure unevenness with a high aspect ratio with high sensitivity.
また、プローブには、探針部が1つ設けられるものとしたが、これに限ることは無く、複数の探針部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。 In addition, the probe is provided with one probe portion, but the present invention is not limited to this, and a plurality of probe portions may be provided so as to project as an array. Further, the probe is not limited to that provided in the scanning probe microscope.
1、2 走査型プローブ顕微鏡
3 試料移動手段
4 駆動装置
5 加振電源
500 加振手段
6、60 変位検出手段
7 コンピュータ
8 温度特性検出手段
9 試料支持部
10 電気特性検出手段
20、201、211、212 プローブ
21 探針部
22 カンチレバー
23 本体部
24、24a、24b シリコン活性層
24S スリット
25 シリコン支持層
26 BOX層
27 SOI基板(シリコン基板)
28、90 絶縁層
29 第1の金属構造体
291 第1の端部
292 第5の金属構造体
30 第2の金属構造体
301 第2の端部
302 第4の金属構造体
33 シリコン酸化膜
31、32、34、35、36 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
50、51、52、53、54、55、56 フォトレジスト膜
70 導電層
100 試料
DESCRIPTION OF
28, 90 Insulating
Claims (11)
前記カンチレバーの先端に設けられ、先鋭化された探針部と、
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、前記カンチレバーの先端部に第2の端部を有する第2の金属構造体と、
前記第1の端部および前記第2の端部が重なることで形成された温度測定素子と、
前記探針部およびその近傍に形成された導電層と、
前記カンチレバーの上面に前記第1の金属構造体および前記第2の金属構造体から離間して設けられ、前記導電層に接続された第3の金属構造体と、
前記導電層および前記第3の金属構造体からなる電気特性検出素子と、
を有する顕微鏡用プローブ。 A cantilever having an insulating layer on the upper surface;
A sharpened probe provided at the tip of the cantilever;
A first metal structure provided on an upper surface of the cantilever and having a first end at a tip of the cantilever;
A second metal structure provided on the upper surface of the cantilever and having a second end at the tip of the cantilever;
A temperature measuring element formed by overlapping the first end and the second end;
A conductive layer formed in the probe portion and its vicinity;
A third metal structure provided on the upper surface of the cantilever and spaced apart from the first metal structure and the second metal structure and connected to the conductive layer;
An electrical property detecting element comprising the conductive layer and the third metal structure;
A microscope probe.
前記第1の金属構造体に近接する状態に形成された、前記第2の金属構造体と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第4の金属構造体と、
前記第2の金属構造体に近接する状態に形成された、前記第1の金属構造体と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第5の金属構造体と、
を有することを特徴とする請求項2に記載の顕微鏡用プローブ。 The structure having the left and right equal spring constant is
A fourth metal structure formed of the same thickness, the same width, and the same material as the second metal structure, which is formed so as to be close to the first metal structure;
A fifth metal structure formed of the same thickness, the same width and the same material as the first metal structure, which is formed in a state of being adjacent to the second metal structure;
The microscope probe according to claim 2, comprising:
前記探針部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、
前記探針部を前記試料の表面に対して相対的に平行で、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を検出する温度特性検出手段と、
前記第3の金属構造体に接続された電気特性検出手段と、
を備える走査型プローブ顕微鏡。 The microscope probe according to any one of claims 1 to 7,
A displacement detection means for detecting displacement data of the probe that is displaced according to a sample surface shape by causing the probe portion to approach the surface to be measured of the sample and scanning the sample surface;
Moving means for performing scanning in two directions that are relatively parallel to the surface of the sample and perpendicular to each other and moving in a direction perpendicular to the surface of the sample;
Temperature characteristic detecting means for detecting the thermoelectromotive force of the temperature measuring element;
Electrical property detection means connected to the third metal structure;
A scanning probe microscope.
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8に記載の走査型プローブ顕微鏡。 Further comprising vibration means for resonating or forcibly vibrating the probe portion at an arbitrary frequency;
The scanning probe microscope according to claim 8, wherein the displacement detection unit is a vibration detection unit that detects a vibration state of the probe unit.
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