JP2009525473A - ミニチュアばね要素とその製造方法 - Google Patents

Abstract

ミニチュアばね要素（１、１′）は、特に原子間力顕微鏡において原子間力や分子力を検出するための梁形探針或いはカンチレバとしての使用に特に適しており、そのために、その変位の特に確実で高解像度の検出が可能となる。このために、ばね要素（１、１′）は、焦束されたエネルギ粒子或いは電磁波による局所的蒸着の原理を利用して、或いは熱分解誘導式蒸着によって製造される。

Description

本発明は、たわみ可能な本体を備えたミニチュアばね要素に関する。また本発明は、かかるばね要素を備えた原子間力顕微鏡における探針と該ばね要素の製造方法に関する。

たわみ可能な本体を備えた微小寸法のミニチュアばね要素は多くの用途に利用される。該ばね要素は、通常たわみ可能な本体を有し、該本体は、外部から作用する機械力に反応して変形（たわみ）或いは変位し、外力の消滅時に再び元の形状に戻る。ばね要素本体の変位は特に作用力に比例する。該ばね要素は、本体のミニチュア形状、即ち、微小寸法において、例えば個々の分子を高精度計測するための微量天秤（microbalance）として、マイクロ工業技術やバイオセンサ技術等におけるセンサエレメントとして使用される。

更に、このミニチュアばね要素の特に重要な普及した用途は、原子間力顕微鏡（atomic force microscope）における所謂梁形探針（Balkensonde）或いはカンチレバにある。かかる原子間力顕微鏡の場合、細い探針尖端と直ぐ近くに存在する被検査表面との間の原子間力に基づいて、探針尖端とその表面との間でその表面の原子構造の評価に関連する相互作用が生ずるという原理を利用している。探針尖端は、通常、可撓性の支持体或いは本体に取り付けられ、その場合、被検査表面の原子尺度で存在する輪郭に随って、可撓性本体の相応した変位が局所的に生ずる。この変位の適切な検出、或いは例えば探針尖端と被検査面との距離を一定に保つ適切に選択された制御信号の検出により、検出した表面の画像を原子尺度で作成できる。

ミニチュアばね要素をそのように利用すれば、通常、各ばね要素のパラメータ或いは状態に依存して生ずる変位を比較的正確に測定又は検出できることが特に重要である。変位の検出は、例えば各ばね要素の表面における光反射或いはたわみ可能な本体における圧電抵抗効果の利用によって行える。その場合、一般的に被検査試料の原子尺度に関して、高精度で特に確実な変位検出が特に望まれる。

本発明の課題は、ばね要素の変位が特に確実な様式で高い精度で検出可能な、冒頭に述べた形式のミニチュアばね要素を提供することにある。更に、かかるミニチュアばね要素の製造に特に適した方法を提供することにある。

この課題は、ばね要素に関しては本発明に基づいて、たわみ可能な本体が検出域を有し、この検出域の導電率が、電子トンネル過程、イオン化過程或いは好適にはホッピング過程により決定されることによって解決される。

本発明は、上述した様式のばね要素の変位がたわみ可能な本体のたわみに伴い現れるという考えから出発している。たわみ自体は、例えば本体の内側表面或いは外側表面の発生曲率に関する少なくとも幾つかの空間領域における長さ変化と、微視的尺度で関連している。変位の特に確実な検出を可能にすべく、たわみ可能な本体の特に表面近く箇所における最小の長さ変化も特に敏感に検出可能とせねばならない。これを可能にすべく、最小の長さ変化にもその導電率の比較的大きく際立った変化で非常に敏感に反応するシステムが本体の検出域の領域に設けられている。

これは、電気絶縁ナノ粒子、ドーピング、不純物準位或いはトラップ準位によって、或いは無定組織の局在状態や、零次電子気体、或いは電荷担体における他の様式で捕捉されたエネルギ状態によって形成されたシステムを検出域に準備することで達成できる。電荷搬送は、電気的、電磁的或いは熱的な活性化エネルギを供給した際に、熱的に活性してしか行われない。考え得る伝導メカニズムは次の通りである。即ち、所謂ホッピングメカニズム、フィールドエミッションないしイオン化効果、プール・フレンケル（Poole-Frenkel）効果或いは、局在準位間或いは不純物準位間ないしトラップ準位間における電子の他種トンネル効果である。つまり、電子搬送が主にトンネル効果、イオン化効果或いはホッピング効果に由来するようなシステムの場合、導電率は個々の局在状態の相互間隔に大きく左右され、この結果、かかるシステムにおいて特に抵抗或いは伝導率のような電気量がトンネルパートナー間の間隔によって指数的に変化するので、最小の間隔変化でも、導電率への比較的大きな影響が得られる。

例えば非晶質シリコン等の一般的に不規則な無組織系を生じている検出域の導電率に対しホッピング過程が支配的な場合には、この検出域に関し、導電率の温度依存性が近似的に式lnσ〜ｔ^-γで与えられる。検出域は、この式の特性指数γが０から１の間の値、好適にはほぼ０．２５、ほぼ０．５或いは値１を有するように形成されているとよい。

フィールドエミッションないしイオン化効果或いは低導電率と高導電率が、局所的に交換する領域間におけるプール・フレンケル効果により生じ、前記の式lnσ〜ｔ^-γに従わないような単純トンネル過程が支配的な場合には、検出域は、トンネル効果に伴って現れるトンネル電流がトンネルパートナーの間隔に従って指数的に低下するため、場所的に変化する機械負荷に対して直接指数的に減少する感度を有する。低導電率と高導電率のかかる局所的交換領域は、例えば電気絶縁母材（基礎媒体）に埋設された伝導性ナノ結晶子、不純物準位ないしトラップ準位又はドーピングから成る複合系により形成されている。指数関数が全ての関数の中で最大の増加関数なので、トンネル効果による変形検出方法が、場所変化の測定に対する最高感度の方法でもある。

検出域の導電率に対する電子トンネル過程、イオン化過程或いはホッピング過程の所定の支配を保証すべく、検出域を形成する材料は、有利に、特に適した形態を有しているとよい。特に検出域における形態は、比較的高い導電率を有する多数の比較的狭い領域が形成されるように選定され、該狭い領域が、比較的低い導電率の中間領域を介して互いに接続されているか、互いに隣接していると望ましい。そのため、検出域を形成する材料は、例えば無定形組織、ナノ組織或いは多結晶組織を有し得る。しかし、検出域は、適切に選択された特に不導体材料から成る母材に埋設されたナノ粒子で形成し、該母材は比較的低い導電率を有し、ナノ粒子は母材材料に比べて高い導電率を有すると望ましい。

ナノ粒子は、適切な高い導電性の材料、例えば半導体材料や超伝導材料で形成される。しかし、特に要件に適った所望特性の設定は、ナノ粒子が金属質であり、特に金（Ａｕ）或いは白金（Ｐｔ）で形成されていることによって達成できる。

母材を形成すべく、有機材料、無機材料或いは誘電体材料或いはまたポリマ材料を利用するとよい。

検出域を形成する、感知活性材料として利用される材料は、各パラメータの選択に関して、変形或いは長さ変化に対し導電率が所望の強い関連性を持つように設計されているとよい。これを保証すべく、特にナノ粒子や局在状態を引き起こす不純物箇所が、母材に埋設する際にその大きさ、間隔、性質および粒子数密度に関し、導電率が結果的に主に上述の電子トンネル効果、イオン化効果或いはホッピング効果により支配されるように適切に選定される。その際、ナノ粒子は、例えば１０ｎｍ迄の平均粒度を有する。しかしナノ粒子が互いに十分に電気絶縁され、それらの間隔が、ナノ粒子間でトンネル効果が生ずる程に十分小さいなら、１００ｎｍ迄或いはそれ以上の平均粒度も考えられる。

有利な他の実施態様では、検出域は担体上に設けられた被覆によって形成される。ミニチュアばね要素の、例えば品質や変形性等の特性或いは他の弾性特性に関し、既に使用されている既存のばね要素も使用でき、特に原子間力顕微鏡における探針としての使用において、シリコン基板を利用できる。かかる通常のばね要素やカンチレバの改良様式において、上述の形式の被覆設置により、本体の検出域を形成できる。しかしその代わりに、本体全体が検出域を形成してもよい。

ばね要素および特にこのばね要素を形成する本体は、寸法および形状が特に所定の使用目的に適合していると望ましい。例えば本体は膜状に形成され、これは特に圧力センサ等における使用を可能とする。しかしまた、本体は長手方向に延びる棒の形態を有することもでき、その場合、その長手寸法の指定によって、所定の測定用幾何学的形状が作られる。この場合、その本体は、ほぼプリズム状の横断面を有するとよい。

ばね要素は多くの用途に使用され、例えばガス濃度測定又はＤＮＡ解析におけるような分子化学や、生命科学の分野における高密集・高感度のガスセンサやバイオセンサとして使用される。医療分野では、例えば分子の直接の質量測定と特徴付けにより呼気の代謝生成物を解析して病気を診断するためのばね要素の多くの分野での使用が考えられる。最小ミニチュアばね要素による血液分析は、一般に、心筋梗塞診断に対しても、或いは腫瘍マーカーを探知するためにも使用できる。微生物学の分野では、かかるばね要素は、検出域に一体化された変位センサに基づき、微生物の検出や、細菌感染の薬剤駆除時に益々頻繁に生ずるような抗生物質耐性の検査に使用できる。また、かかるばね要素は、環境保護において、空気中、ガス中、液体中における毒性成分の検出に対しても、或いは化学工場における毒性又は爆発性成分の検出にも使用できる。

しかしこのばね要素は、特に有利な他の実施態様では、原子間力顕微鏡でカンチレバとして使用され、該カンチレバは原子間力顕微鏡の所謂梁形探針を形成すべく、適切な方式で探針尖端又は走査尖端を設けられる。この用途では、最も敏感で高解像度の変位測定センサが特に有効に利用され、原子間力顕微鏡で必要な特に高い測定感度を提供する。

原子間力顕微鏡は、通常の様式で、測定対象物の地勢の横走査に対し設計されているとよい。ばね要素の変位に関する検出域の導電率の高感度変化を特に良好に利用すべく、原子間力顕微鏡ヘッドは、探針の制御データ又は測定データを基に測定対象物の表面形状を特徴づけるデータセットを発生する評価装置を備え、該評価装置は、データセットの発生時、カンチレバの導電率を特徴づける特性値を考慮する。表面形状は、例えば表面起伏の様式で評価される。磁気走査尖端で磁気試料を評価する際、「磁気的な地勢」を評価することもできる。その代わりに或いはそれに加えて、表面にわたるカンチレバの横運動も利用でき、その場合、カンチレバは試料表面との摩擦に伴いねじれを生ずる（所謂「摩擦モード」）。

原子間力顕微鏡ヘッドの作動時、探針の変位を、検出域の導電率を特徴づける測定値を基に求めるとよい。そのために、ばね要素の検出域を、適切に表面と接触し、原子間力顕微鏡ヘッドの評価装置に接続すると望ましい。

ばね要素の製造のため、基本的に種々の技術が考えられる。ばね要素の設計原則、特に検出域の製作に特に適合した方法は、これに関する課題を本発明に基づいて解決する方法にあり、例えばイオン照射誘導式、熱分解誘導式或いは光子照射誘導式蒸着、特に有利には電子照射誘導式蒸着（ＥＢＩＤ）のような局所的エネルギ励起による蒸着である。これら方法は、電子、イオン或いは光子から成り走査される微粒子ビームの下で、或いは電磁波から成るビームの下で起こる照射場所に存在する前駆物質ガスの物理化学的変換過程に基づいている。この方法により、特に蒸着構造化において、微小寸法を持つ、機能性ナノ組織の的確な材料析出が可能となる。その際、適切な蒸着パラメータの選択により、最終製品における所望の空間的構造に限定された的確な所望の空間的構造が可能となる。

この結果、一度蒸着した構造を後で、ミニチュア最終製品において所望の空間形状を作るべく、例えばリソグラフィ的エッチッグ等の通常の方式の再処理を行う必要はない。該蒸着物構造化過程は、気相で存在し真空雰囲気内で表面に吸着する原物質（前駆物質）の分子が、例えば焦束された電子、イオン又は光子或いはエネルギ的に束ねられた他の物体から成る局所的に濃縮されたエネルギ入射ビームで励起され、結合物の分解過程或いは転換過程によって、近くに存在する基板の表面に沈積物或いは蒸着物として永続的に固定されるという原理に基づく。その場合、初めの材料堆積は新たな堆積に対する核として機能し、該核はエネルギ作用の局所的位置と持続時間により制御され、この結果エネルギ源の焦束性に関係してナノメートル精度で、基板上に任意の三次元的物体を析出できる。

原物質或いは前駆物質材料の適切な選択と、蒸着過程中に利用されるパラメータの適切な選択とにより、最終製品の微視的特性に、特に柔軟に十分に影響を与え得る。場合により検出域に生じる長さ変化と導電率との強い関連性と、そのために考慮される適切な母材におけるナノ粒子の適切で比較的均質な分布を保証すべく、前駆物質材料として、気相で存在し蒸着にとって特に良好な蒸気圧力を有する有機錯体、無機錯体、誘電体錯体或いは有機金属錯体、モノマ、オリゴマ、ポリマ或いはこれらモノマとオリゴマとポリマとの混合物を利用すると望ましい。前駆物質・材料として、特にＣＨ₃、Ｃ₅Ｏ₂Ｈ₇、Ｃ₅Ｏ₂Ｆ₃Ｈ₄、Ｃ₅Ｏ₂Ｆ₆Ｈ、Ｃ₅Ｈ₅、Ｍｅ₂Ａｕ（ａｃａｃ）［総合式：（ＣＨ₃）₂ＡｕＣ₅Ｏ₂Ｈ₇］、Ｍｅ₂Ａｕ（ｔｆａｃ）［総合式：（ＣＨ₃）₂ＡｕＣ₅Ｏ₂Ｆ₃Ｈ₄］、Ｍｅ₂Ａｕ（ｈｆａｃ）［総合式：（ＣＨ₃）₂ＡｕＣ₅Ｏ₂Ｆ₆Ｈ］、Ｃｕ（ｈｆａｃ）₂［総合式：Ｃｕ（Ｃ₅Ｏ₂Ｆ₆Ｈ）₂］、ＣｐＰｔＭｅ₃［総合式：Ｃ₅Ｈ₅Ｐｔ（ＣＨ₃）₃］、ＣｐＭｅＰｔＭｅ₃［総合式：Ｃ₅Ｈ₄（ＣＨ₃）Ｐｔ（ＣＨ₃）₃］、Ｍｏ（ＣＯ）₆、Ｗ（ＣＯ）₆、ＷＦ₆、［ＲｈＣｌ（ＰＦ₃）₂］₂、Ｃｏ₂（Ｃｏ）₈、ＡｕＣｌ（ＰＦ₃）および／又はＮｉ（ＣＯ）₄が利用できる。

上述の蒸着方法は、特に担体として用いる基板上に検出域を発生すべく担体の追加的改良の形態で表面被覆を製造し、かつ一体型本体を製造すべく適用される。一体型本体におけるばね要素の本体は、それ自体母材内に既に埋設されたナノ粒子で形成され、この結果全体が検出域を形成する。かかる構造物を製造すべく、前駆物質のエネルギ的励起に利用されるエネルギ的微粒子ビームや例えばレーザビームによる局所的熱分解処理が、基板に対し横方向に又は三次元的に、蒸着物の所定の設定幾何学的形状に従って制御される。

蒸着中に、基板の温度を適切に調整するとよい。この結果、基板上における表面拡散過程の速度が影響され、これは、前駆物質材料の調整可能な補給率を生じさせ、もって蒸着物の成長率を制御でき。或いは前駆物質源の温度を上昇又は低下することによっても、これが前駆物質の蒸気圧力に直接影響を与えることから補給率を調整できる。

熱分解式或いは熱分解誘導式蒸着も有効に使用できる。その際、基板を先駆物質分子の無指向性吸着後に例えば下から電熱線によって、或いは上からレーザビームによって加熱することによっても、基板上に固形蒸着物を析出させ得る。エネルギ供給は、局所的に先駆物質材料の所望の変換を生じさせる。これによって、横方向には比較的粗く構造化された蒸着物しか得られないが、該蒸着物は、例えばシリコン製のカンチレバの追加的改良に適している。また、かかる熱分解蒸着物は、横方向の微細構造化が従属的価値でしかない圧力測定用の膜を製造するために用いることができる。

上述の蒸着構造化の利用により、特に電子ビーム或いはイオンビーム、熱分解誘或いは光子を用いた蒸着によりばね要素の検出域或いは本体全体を製造することで、最終製品の所望特性を設定する際、特に高い柔軟性が生ずる。特に母材に対する適切な組織の選択により、長さ変化時に所望の感度を示す導電率に調整可能なだけでなく、組織の蒸着時の製造パラメータの的確な制御と、他の微視的特性への的確な影響も可能となる。特に、本体と、従ってばね要素全体の機械的特性とが、所定の用途に対し適切に影響させられ、特に利用目的にとって特に良好なばね要素の弾性或いは特に良好な品質が設定できる。

例えば有機金属錯体化合物から成る前駆物質を利用し、特に容易にたわむ軟らかい構造物が製出でき、特にトンネルエレクトロニクスで使用されるナノ結晶特性を有する導電性材料構造物を析出できる。これに対し、例えば揮発性残留ガス油分子等の高い炭素含有率を利用する前駆物質は、集塊において作用する共有炭素化合物に基づき、蒸着物として機械的に特に「硬い」ダイヤモンド状蒸着物を形成し、これはばね要素として特に固く振る舞う。このことは、ばね要素の製造時に、前駆物質の種類、量および／又は組成、蒸着領域におけるガス圧、局所的エネルギ供給の強さ（例えば電子ビーム）、電子ビームの照射持続時間、焦点の大きさ、基板材料および／又は基板温度等の複数のパラメータを、ばね要素が所定のばね定数および／又は所定の品質を示すように調整することで考慮すると望ましい。

蒸着パラメータの適切な選択により、機械的負荷の下で、単結晶或いは多結晶（例えばシリコン・カンチレバ）から成る半導体基のばね要素と比べ、頑丈で、長い寿命ないし疲れ耐力を持つばね要素も製造できる。蒸着パラメータは、例えばばね要素の大部分が、例えばダイヤモンド状化合物（四面体配位）の形態における炭素原子間で多くの部分が主に共有化合物を含む母材から構成されるように選択される。また、ダイヤモンド状化合物が局所的にしか形成されない（無定形組織）ときも、非常に硬いばね要素が製造できる。一層の無定形組織においては、規則的な原子格子構造がないことにより、全く或いはほんの僅かな転移しか生じない。重要な崩壊過程は転移のすべりなので、この構造物は疲れに強い。従って、かかる複合構造物は、一般に硬質物質用途に対し、例えば硬質物質被覆に対し非常に良好に適用できる。

この関係で、蒸着時の基板上の蒸着物ばね構造物をナノメートル精度で自由に選定できる位置づけにより、比較的複雑で機能的に複合した多重のばね系の構成が可能となり、特に単純な様式で、ばね装置域（所謂ばねアレー或いはカンチレバ）の製造が可能となる。また、用途関連目標への一層の適合性は、所定の蒸着構造化において幾何学形状の観点に関して比較的大きな柔軟性を与えることでも得られる。特に、蒸着物の横方向の解像度と縦横比（或いは高さ幅比）と他の弾性機械特性、電気特性および磁気特性は、選択したエネルギの種類、強さおよび作用持続時間並びに基板上に蒸着物が製出する際の変換過程にとって重要な前駆物質材料の比較的複雑な相互関係、例えば温度、基板材料およびプロセス真空の品質等の他の周辺要因に比較的敏感に左右される。従って、それらパラメータの影響に応じ、製造した蒸着物の種々の特性の的確な設定が可能となる。

本発明による利点は、特に母材に埋設されたナノ粒子を基礎とする検出域を設けることで、長さ変化に対する検出域の導電率の特に敏感な依存性が最小寸法で得られるである。このため、例えばばね要素の表面近傍の局所的収縮や伸張を生じさせるような最小の長さ変化も特に敏感に測定できる。その結果、ばね要素の変位が特に精密に測定でき、かかる変位測定を基礎とする高精度センサが得られる。比較的大きな変位も検出する用途においては、ばね要素に追加的に、変位の光学的検出を可能とする鏡面が設けられる。

かかるセンサは、例えばマイクロ工学技術やバイオセンサ技術等に使用できる。特に電子ビーム照射誘導式蒸着等の蒸着物構造化法による検出域或いはばね要素全体の製造により、所望の特性の大きな帯域幅を有する微視的構造の的確な製造が可能となり、その際、特に適切な材料およびパラメータ選択により、電気特性に加えて、機械特性も特に良好に設定できる。特に、その柔軟性により、ばね要素のばね特性とばね品質を予め設定可能となり、ばね要素を、特に原子間力顕微鏡での使用に特に適したものとなし得る。更に、電子ビーム照射誘導式蒸着の利用により、極端に小形化したばね要素やカンチレバが製造でき、その際、特にばねおよび検出器の幾何学的形状をほぼ自由に選定できる。通常のシステムに比べマイクロ工学システムの大幅な小形化が可能となり、例えば通常の構造化方法で製造したシステムと比べて、１０００分の１に縮小された長さ寸法が得られる。

以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお各図において同一部分には同一符号を付している。

図１ＡないしＢにおけるミニチュアばね要素１、１′は、特に原子間力顕微鏡におけるカンチレバ２或いは梁形センサとして使用するために考慮されている。或いはまた、マイクロ測定技術やバイオ測定技術等他の多くの用途も考えられる。ミニチュアばね要素１、１′はたわみ可能な本体４を有し、該本体４は、矢印６で示す長手方向に延びる棒の形に形成され、ほぼプリズム状の横断面を有している。本体４はその弾性特性が、外部からかかる機械力によって長手方向に対し矢印８で示すほぼ垂直な変位方向に変位し、その際本体４の相応したたわみが生ずるように設計されている。図１Ａ、図１Ｂは、本体４がそのように変位した状態を示している。外から作用する機械力の消滅時、本体４およびこれに伴ってばね要素１、１′全体が、ほぼ直線的に延びた休止状態に戻る。ばね要素１、１′の形状を中間平面に対し垂直に伸張することで、例えば熱力学的ガス圧を測定するべく、平面的に作用する力を検出するための薄い膜が生ずる。

ばね要素１、１′は、機械力作用時の変位を特に敏感に高解析力で精確に検出すべく設計されている。そのためばね要素１、１′の本体４は、母材１２内に埋設され、特に金属ナノ粒子１４で形成された検出域１０を備える。母材１２は、本実施例では、金属ナノ粒子１４が埋設されたポリマ母材として形成され、該ナノ粒子１４は電荷に対して埋設され局在した状態となっている。該局在状態は、その代わりに或いはそれに加えて、不純物準位やトラップ準位や、例えば非晶質媒体における組織的無秩序により形成される。

母材１２とナノ粒子１４の材料選択並びにナノ粒子１４のこの実施例の場合には約１０ｎｍである平均粒度と密度に関して、対応するパラメータが、母材１２の内部におけるナノ粒子１４間の電気伝導が、ホッピング過程によって特徴づけられ、トンネル過程を介して実行されるように選定されている。従って検出域１０における電気伝導メカニズムは、局在箇所間での熱励起ホッピングメカニズム（ホッピング、ニアレストネイバーホッピング、バリアブルレンジホッピング）により行われ、量子力学的トンネル効果によって生ずる。この周辺条件の維持により、検出域１０の電導率が、極めて小さな長さ変化或いは間隔変化でも非常に強く敏感に影響を受け、このため電導率を高い感度および解像度で検出できる。図１Ａ、１Ｂから解るように、本体４の変位は、変位方向において本体４の表面近くで少なくとも局所的に長手方向における少なくとも僅かな長さ変化を生じさせ、この結果、かかる変位も、検出域１０の電導率の変化を介して高い感度で測定できる。

図１Ａのばね要素１は、通常のシリコン基構造のばね要素に基づき形成され、該ばね要素１は、担体１６として用いられ、検出域１０を形成する表面被覆を設けられている。従って、図１Ａのばね要素１の構造は、通常のばね要素の改良に相当し、この改良に伴い、所望の高い測定解像度のための検出域１０を補足的被覆によって設けている。

これと別に、図１Ｂのばね要素１′は、三次元的に又は一体型の形で完全に新たに製造された本体４の形態で形成され、該本体４はそれ自体が既に母材１２に埋設された金属ナノ粒子１４により形成され、従って、その全体が検出域１０を形成している。本実施例において、適切なパラメータ選択によって、検出域１０の電気特性特に伝導特性の他に、本体４全体の機械的特性も適切に設定できる。特にこの実施例では、母材１２の機械的特性が、弾性特性（弾性係数）並びに本体４全体の機械的品質を支配する。母材１２の形成に関与する材料の適切な選択および金属部分のナノ粒子構造により、本体４の製造時、転移発生を十分に抑制し、もってその際に得られるばね要素１′の品質と機械的負荷容量と疲れ耐力およびそれに伴って機械的負荷時における頑丈性と持久性を大幅に向上できる。

ばね要素１、１′は、特に原子間力顕微鏡（Rasterkraftmikroskop）での使用に適している。そのため、本体４に各々探針尖端（センサ尖端）２０が一体成形され、該探針尖端２０を介して、測定対象物の走査が可能となる。相応した原子間力顕微鏡２２の構成を図２に概略的に示している。原子間力顕微鏡２２は探針とも呼ばれるカンチレバ２を有し、該レバ２はばね要素１、１′として形成されている。探針尖端２０は測定対象物２４の表面に沿って導かれる。その際、探針尖端２０は圧電走査装置２６によって測定対象物２４の表面上を案内される。その場合、その都度利用される検出域１０の適切な電気接触を介して、カンチレバ２を形成するばね要素１、１′の導電率の変化を求めることで、カンチレバ２の変位を検出できる。

走査装置（圧電変換器）２６は圧電増幅器２９で駆動される。その出力電圧は、カンチレバ２の変位センサから来て増幅器２７で増幅された測定信号（実際値）を設定値発生器３０からの設定値と比較する比較器２８により与えられる。比較器の出力電圧は、設定値と実際値の差が消失する迄変化する。この結果、測定対象物２４からのカンチレバ２の高さないしカンチレバ２の押圧力が、「接触モード」での測定中に横ラスタ走査中一定に保たれる。比較器２８の出力電圧から、通常の方式で原子間力顕微鏡画像が求められる。

測定対象物の表面に対し周期的に発生し、最小間隔で振動するカンチレバによる測定のために、発振器３１が利用されている。発振器信号は比較器に導かれる。カンチレバ変位の測定は、増幅器２７の部分としての位相に敏感な検波器を必要とする。

ばね要素１、１′の検出域１０およびできれば本体４全体も、所謂蒸着と構造化により形成され、各構造物の個別成長は、所望の構造物の発生が企図される空間領域で生さじ、またその空間領域に限定されている。そのため、他の微小化形状物の際に必要となる追加的な、例えばリソグラフィ的エッチッグは省略できる。各構造物を製造すべく、この実施例では、所謂電子ビーム誘導式或いはイオンビーム誘導式蒸着法が利用される。相応した構造物の個々の製造過程を図３Ａ〜３Ｃに示している。

図３Ａの略図から明らかなように、適切な雰囲気中、特に真空中で、図３Ａに粒子５０でとして示す前駆物質が、気体形態で基板５２の近くに運ばれる。前駆物質分子と基板との付着力によって、基板上において前駆物質材料の吸着が起こる。

基板５２の直近の蒸着領域５４において、前駆物質が変換のためにエネルギ的に励起され、その際、固形および非揮発形の変換生成物は、沈積物或いは蒸着物５６として基板５２に永続的に堆積する。基板５２上における初めの材料堆積は、同時に新たな堆積に対する核として機能し、該核はエネルギの作用する局所的位置およびその持続時間によって制御され、この結果基板５２上にほぼ任意の三次元的物体を製造できる。図３Ｂに示すように、電子ビーム又はイオンビームの焦点の適切な立体的変化により、種々の幾何学的形状を持つ蒸着物５６の的確な析出が可能となり、その場合、（図３Ｃに示すように）横方向の相対運動によって、蒸着物５６における湾曲構造物も生成できる。

ミニチュアばね要素の断面図。 ミニチュアばね要素の断面図。 原子間力顕微鏡の概略図。 基板上に成長する蒸着物の種々の蒸着過程の説明図。 基板上に成長する蒸着物の種々の蒸着過程の説明図。 基板上に成長する蒸着物の種々の蒸着過程の説明図。

符号の説明

１、１′ ばね要素、２ カンチレバ、４ 本体、６、８ 矢印、１０ 検出域、１２ 母材、１４ ナノ粒子、１６ 担体、２０ 探針尖端、２２ 原子間力顕微鏡、２４ 測定対象物、２６ 走査装置、２７ 増幅器、２８ 比較器、２９ 圧電増幅器、３０ 設定値発生器、３１ 発振器、５０ 粒子、５２ 基板、５４ 蒸着領域、５６ 蒸着物

Claims (22)

1. 検出域（１０）を有するたわみ可能な本体（４）を備えたミニチュアばね要素（１、１′）であって、その導電率（σ）が、電子トンネル過程、イオン化過程或いはホッピング過程によって決定されることを特徴とするミニチュアばね要素。
2. 検出域（１０）の導電率（σ）の温度依存性が近似的に式lnσ〜ｔ^-γで与えられ、その特性指数（γ）が、０から１の間の値を有していることを特徴とする請求項１記載のばね要素。
3. 検出域（１０）が、母材（１２）に埋設されその母材材料に比べて高い導電率を有するナノ粒子（１４）で形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のばね要素。
4. ナノ粒子（１４）が金属質であることを特徴とする請求項３記載のばね要素。
5. 金属ナノ粒子（１４）が、化学的に安定な材料で形成されていることを特徴とする請求項４記載のばね要素。
6. 母材（１２）が、ポリマ材料および／又は金属含有構造要素で形成されていることを特徴とする請求項３から５の１つに記載のばね要素。
7. 母材（１２）が、有機材料、無機材料或いは誘電体の材料で形成されていることを特徴とする請求項３から５の１つに記載のばね要素。
8. ナノ粒子（１４）が、１００ｎｍまでの平均粒度を有していることを特徴とする請求項３から７の１つに記載のばね要素。
9. 検出域（１０）が、担体（１６）上に設けられた被覆で形成されていることを特徴とする請求項１から８の１つに記載のばね要素。
10. 本体（４）が検出域（１０）を形成していることを特徴とする請求項１８の１つに記載のばね要素。
11. 本体（４）が、薄い膜として或いは長手方向に延びる棒の形態に形成されていることを特徴とする請求項１から１０の１つに記載のばね要素。
12. 本体（４）がプリズム状の横断面を有していることを特徴とする請求項１１記載のばね要素。
13. 探針尖端（２０）を備えたカンチレバ（２）を有する原子間力顕微鏡における梁形探針であって、該カンチレバ（２）が請求項１から１２の１つに記載のばね要素（１、１′）として形成されていることを特徴とする原子間力顕微鏡における梁形探針。
14. 請求項１３記載の梁形探針を備えていることを特徴とする原子間力顕微鏡ヘッド。
15. 梁形探針の制御或いは測定データを基に測定対象物の表面形状を特徴づけるデータセットを発生する評価装置を備え、該評価装置が、データセットの発生時、カンチレバ（２）の導電率（σ）を特徴づける特性値を考慮することを特徴とする請求項１４記載の原子間力顕微鏡ヘッド。
16. 請求項１から１２の１つに記載のばね要素（１、１′）を製造する方法であって、検出域（１０）が、局所的エネルギ供給によって製造されることを特徴とするばね要素の製造方法。
17. 基板（５２）の近くの蒸着領域（５４）にガス状で導入された複数の前駆物質（５０）が、変換のためにエネルギ的に励起され、変換生成物が非揮発性固形物の形で基板（５２）上に析出することを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 前駆物質（５０）として、有機モノマ、無機モノマ、誘電体モノマ或いは有機金属のモノマ、オリゴマおよび／又はポリマが利用されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前駆物質（５０）のエネルギ的励起に利用されるイオンビーム、光子ビーム或いは電子ビームが、基板（５２）に対して横方向に或いは三次元的に、蒸着物（５６）の所定の設定された幾何学的形状に従って制御されることを特徴とする請求項１６から１８の１つに記載の方法。
20. 蒸着中における基板（５２）の温度および／又は前駆物質源の温度が、蒸着領域（５４）で求められた前駆物質（５０）の蒸気圧力に関係して調節されることを特徴とする請求項１７から１９の１つに記載の方法。
21. 前駆物質（５０）の種類、量および／又は組成、蒸着領域（５４）におけるガス圧、局所的エネルギ供給の強さ、照射持続時間、焦点の大きさ、基板材料および／又は基板温度等の複数のパラメータが、ばね要素（１、１′）が所定のばね定数および／又は所定の品質を有し、或いは検出域（１０）が所定の導電率を有するように調整されることを特徴とする請求項１７から２０の１つに記載の方法。
22. 梁形探針の変位が、探針の導電率を特徴づける測定値を基に求められることを特徴とする請求項１４又は１５記載の原子間力顕微鏡ヘッド（２２）の運転方法。

Images