JP2010091571A - 走査尖端部及びその裏面に位置合せ用目印を有する走査型微小センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＰＭセンサの走査尖端部及び目印の製造方法の提供。
【解決手段】ＳＰＭセンサ１は保持部材２、カンチレバー３、カンチレバー３の下面６上の走査尖端部４及びカンチレバー３の上面７上の目印８を含んで構成されている。カンチレバー３の上面７上の目印８は、カンチレバー３の下面６の走査尖端部４に対応する位置に備えられている。そのため走査尖端部４の正確な位置がカンチレバー３の上面７に示されるので、ＳＰＭセンサが簡単に調整できる。保持部材２はカンチレバー３と共に従来の方法により準備され、次いで走査尖端部４及び目印８は粒子線の照射によりカンチレバー３上に蒸着して自動的に調整されて生成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、保持部材、カンチレバー、走査尖端部、並びにカンチレバーの裏面の走査尖端部に対応した位置に明瞭に認識できる目印としての丘部を備えた走査型微小センサの製造方法に関する。

走査型微小センサ（以下、ＳＰＭセンサと称す）は、種々の形態で広く知られており、試料の表面をセンサにより高解像度で走査できるように、走査型顕微鏡センサと共に用いられる。通常のＳＰＭセンサはカンチレバーを備えている。カンチレバーの一端には、走査型顕微鏡センサの保持装置にＳＰＭセンサを固定するための保持部材が備えられ、カンチレバーの下面に配置されて試料を上から走査する微小の走査尖端部が他端から突出している。

走査型微小センサでは、走査尖端部が試料の走査すべき表面と相互作用をするほど、極めて近接している。走査尖端部と表面に作用する力により、ＳＰＭセンサのカンチレバーが撓み、その撓みが検出される。ＳＰＭセンサは、特にナノメータ以下、又は更には原子レベルまでの解像度を有する表面形状の画像の提供を可能とする確立された表面分析技術へと発展した。

この技術の核心は、触診探子である。センサの性状及び品質が、決定的に表面分析の解像度を左右する。この場合、カンチレバーの形状並びに保持部材に形成された走査尖端部により解像度が決まる。シリコン単結晶をエッチングするか又は窒化珪素の薄膜などに基づく種々のセンサ製造方法が確立されている。

形状及び曲げ半径により品質が左右される走査尖端部は、素材（シリコン単結晶が多く使われる）をエッチングするか又は（窒化珪素の）注型によりカンチレバーの自由端に形成されるが、エッチングの方が高品質（曲げ半径が小さく、アスペクト比が大きく、高さの高い）の走査尖端部が得られる。

更に、用途に応じて走査先端部の最適な形状が得られるように、焦点を合せた荷電粒子（電子又はイオン）線を用いることもある。焦点を合せたイオン線（ＦＩＢ）による素材の意図的な侵食及び電子線を用いた素材の蒸着（ＥＢＩＤ）による局所的成長は確立された方法ではあるが、イオン線による蒸着及び電子線による侵食の方が一般的である。

例えば、特許文献１に記載されているように、エッチングによりシリコン単結晶から走査尖端部を生成する技術及び局所的な素材の蒸着により走査尖端部を生成する技術は、注型技術に基づいた薄膜技術よりも有利である。単結晶をエッチングして走査尖端部及びカンチレバーを構成することにより、素材内に歪が生じないのでカンチレバーの捩れが防止される。薄膜の蒸着法では、このような歪は完全には防止できず、カンチレバーの捩れを小さくすることは極めて難しい。更に、エッチングされたシリコンの走査尖端部のアスペクト比は大きいので、蒸着による走査先端部よりも優れている。

走査尖端部を小型化する必要のある小さな高周波のカンチレバーにおいても、エッチング法が有利である。リソグラフによるマスクを用いてエッチングするので、マスク部の解像度が高く、蒸着法によるよりも小さな走査尖端部が得られる。マスク部の解像度により、走査尖端部の基部、即ち走査尖端部の最小の大きさが決められる。

ＳＰＭセンサの走査尖端部を最適化するのに焦点を合せた粒子線を用いる利点は、例えば酸化珪素又は窒化珪素の薄膜の蒸着によるカンチレバーのように、シリコン単結晶からのカンチレバーを有するＳＰＭセンサに適用できることである。この方法では、走査速度の大きな走査型顕微鏡センサ用に、今後必要となる、長さが５０μｍ以下、典型的には１０μｍ以下の極めて小さなカンチレバーが得られることに、大きな利点がある。カンチレバーにおいては、振動特性に悪影響を及ぼさないように、走査尖端部の質量はカンチレバー自体の質量よりも明らかに小さくする必要があるので、走査先端部はそれに適合した小さな高さとする必要がある。それにより、従来の方法では達成できなかったカンチレバーが得られ、正確に位置決め可能となる。粒子線を用いることにより、１０ｎｍの寸法の構造に対応でき、粒子線を電磁気的に屈折させて制御することにより数ｎｍの精度の位置決めが達成できる。

走査型トンネル顕微鏡並びに原子間力顕微鏡においては、ＳＰＭセンサの走査尖端部は、試料表面により停止されるか又は破損されることが起こり得るので、ＳＰＭセンサを交換する必要がある。その際、交換する走査尖端部は、中断された測定がその位置から直ちに継続できるように、破損した走査先端部の位置に正確に位置決めする必要がある。従って、新たに装着したセンサを極めて正確に整列させる必要がある。しかし、走査尖端部がカンチレバーにより隠されているので、固定された走査尖端部を有するカンチレバーを正確に整列させることは困難である。走査先端部を正確に整列させる調整補助として、隠された走査先端部に正確に対応した目印をカンチレバーの上面に備えことが有用であり望ましい。

例えば、特許文献２〜６に記載されているように、調整補助としての目印は、既に周知である。

特許文献２に開示された光学的観察系を備えた原子間力顕微鏡は、試料表面及びＳＰＭセンサのカンチレバーの自由端の観察ができる。カンチレバーの試料の反対側の自由端のセンサの走査先端部に相当する位置に、丘状の目印が備えられ、走査尖端部の位置決めに用いられる。目印は自由端に蒸着された素材を含んでいる。

同様に、特許文献３には、走査尖端部を及びカンチレバーの走査尖端部と反対側に配置された目印を有するＳＰＭセンサが記載されている。目印は球状の凹みとして形成されている。

特許文献４にも、凹みとして形成された目印を有する同様のＳＰＭセンサ及びその製法が開示されている。カンチレバーと走査尖端部は異なった素材で形成され、走査尖端部はカンチレバーを貫通し目印を担持している。

特許文献５及び特許文献６には、カンチレバーの上面の走査尖端部の位置に特徴的な目印を備えたＳＰＭセンサの例が示されている。特許文献５に記載の目印はカンチレバーの上面にエッチングにより凹み又は丘部として形成されている。特許文献６には、カンチレバーの上面に開いた中空の走査尖端部が形成されたカンチレバーが記載されている。

このような走査尖端部の位置を確認するための目印により、最小の走査すべき構造が簡単且つ迅速に検出される。走査尖端部の位置を正確に認識することにより、探査すべき領域を絞るために試料表面を広汎に走査しなくてもよく、尖端部の磨耗を回避できる。極めて高精度で、本来の走査尖端部の品質を保ったまま探査すべき物体を探査することができる。

独国特許発明第４１２６１５１Ｃ２号明細書 欧州特許出願公開第０３９４９６２Ａ号明細書 特開平１０−１２３１５４号公報 米国特許第５８８３３８７Ａ号明細書 特開２００３−３１５２３８号公報 特開平０９−２０４８９８号公報

本発明の目的は、上述の従来技術に由来した課題を解決するために、任意の素材から走査尖端部及び目印を製造する方法を提案することにある。この方法では、走査尖端部及び目印は、カンチレバーの下面又は上面に同時か又は順次、正確に制御されて生成される。

上記課題は、請求項１の特徴を有するＳＰＭセンサの製造方法により解決される。その発展形態は従属請求項に記載されている。

すなわち下記の構成により課題が解決される。

（１）保持部材、カンチレバー、走査尖端部及び丘部として走査尖端部の反対側のカンチレバーの面上に形成された目印を有するＳＰＭセンサの製造方法であって、前記保持部材が前記カンチレバーと共に従来の方法により準備され、次いで素材の粒子線を前記カンチレバー上に蒸着することにより前記走査尖端部及び前記目印が生成されることを特徴とするＳＰＭセンサの製造方法。

（２）前記走査尖端部及び前記目印は、自動調整されて生成されることを特徴とする前記（１）に記載のＳＰＭセンサの製造方法。

（３）前記走査尖端部及び前記目印の蒸着用素材して、前記カンチレバーと同じ素材が用いられることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のＳＰＭセンサの製造方法。

（４）前記走査尖端部及び前記目印の蒸着用素材して、前記カンチレバーと異なった素材が用いられることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のＳＰＭセンサの製造方法。

（５）前記走査尖端部及び前記目印を除いて、従来の方法により前記保持部材とそれに固定された前記カンチレバーを有するＳＰＭセンサを準備する工程；前記粒子線を前記カンチレバーの下面の前記走査尖端部を生成すべき位置に照射して局所的に素材を蒸着する工程；前記粒子線の操作条件を調整して、前方へ照射されるように制御された二次粒子により前記カンチレバーの上面に優先的に素材を蒸着して前記目印を形成する工程；及び前記粒子線の操作条件を変更して、後方へ照射されるように制御された二次粒子により前記カンチレバーの下面の前記目印に対応する位置に正確に優先的に蒸着して前記走査尖端部を形成する工程；に従って実行されることを特徴とする前記（１）ないし（４）のいずれか１項に記載のＳＰＭセンサの製造方法。

（６）素材を優先的に蒸着する位置を決定するために、前記粒子線の出力及び焦点面を操作条件として用いることを特徴とする前記（５）に記載のＳＰＭセンサの製造方法。

本発明の方法に基づいて製造した、ＳＰＭセンサにより簡単且つ迅速に走査尖端部の位置決めができるようになった。そのため、ＳＰＭセンサをより小型化することが可能となった。

本発明による方法に基づいて製造したＳＰＭセンサの斜視図 図１のＳＰＭセンサの製造過程を示す模式図

本発明の方法によって製造されたＳＰＭセンサは、走査尖端部の位置が明確に認識できる目印を走査尖端部とは反対側に有するカンチレバーを備えている。以後、カンチレバーの走査尖端部とは逆の側は、カンチレバーの上面、また試料に向いた側はカンチレバーの下面と称することとする。走査尖端部の位置を認識するためにカンチレバーの上面に備えられた目印は、丘部として形成される。走査尖端部及び目印は、カンチレバー上に焦点を合せた粒子線により素材を蒸着、成長させることにより形成される。走査尖端部及び目印は同一の素材から形成される。走査尖端部及び目印は、共通の製造工程において整列されて形成される。

上述のＳＰＭセンサは、以下の述べる本発明の方法により簡単に製造される。この場合、カンチレバーの保持部材は、従来の周知の方法により準備し、次いで素材の粒子線をカンチレバー上に蒸着することにより、走査尖端部及び目印が生成される。粒子線として、電子線又はイオン線を用いてもよい。粒子線をカンチレバーの下面及び／又は上面に粒子線を垂直に衝突させることにより走査尖端部及び目印は自動的に整列されることが好ましい。走査尖端部及び目印の生成の際、カンチレバーに対する粒子線の調整は変更されない。走査尖端部及び目印に、カンチレバーと同一の素材又は異なった素材を用いてもよい。

走査尖端部及び目印を形成する本発明では、先ず従来の方法により保持部材からセンサを形成する。次いで、粒子線、好ましくは電子線をカンチレバー上に焦点を合せる。粒子線の出力及び焦点面は、二次粒子によりカンチレバーの上面に優先的に気相から局所的に膜を成長させて目印が形成されるように、粒子線の出力及び焦点面が設定される。次いで、カンチレバーの下面に膜が優先的に蒸着されて走査尖端部が形成されるように粒子線の出力及び焦点面が変更される。粒子線の設定条件を適合させる際に、カンチレバー面上の粒子線の位置は変わらずそのままの位置に止まるので、目印の位置は走査尖端部と完全に一致する。

ＳＰＭセンサの新しい製造方法では、カンチレバーが例えばシリコン、酸化珪素又は窒化珪素のような素材から形成され、走査尖端部及び目印が焦点を合せた粒子線により生成される。本発明の方法は次のような工程に従って実行される。

・走査尖端部及び目印を除いて、従来の方法により保持部材とそれに固定されたカンチレバーを有するＳＰＭセンサを準備する工程；
・粒子線、好ましくは電子線をカンチレバーの下面の走査尖端部を生成すべき位置に照射して局所的に素材を蒸着する工程；
・粒子線の操作条件を調整して、前方へ照射されるように制御された二次粒子によりカンチレバーの上面に優先的に素材を蒸着して目印を形成する工程；及び
・粒子線の操作条件を変更して、後方へ照射されるように制御された二次粒子によりカンチレバーの下面の正に目印に対応する位置に優先的に蒸着して走査尖端部を形成する工程。

以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、保持部材２、カンチレバー３及び走査尖端部４を有するＳＰＭセンサ１の斜視図である。走査尖端部４は、カンチレバー３の自由端５の下面６に備えられ、不図示の試料に載置されている。カンチレバー３の上面７の走査尖端部４に一致した位置に目印８が形成されている。目印８は、粒子線の照射により析出、塗布された丘部８″として形成されている。

図２のａ〜ｄは、図１に示したＳＰＭセンサ１の製造過程を示す図である。第１の素材よりカンチレバー３が製作され、走査尖端部４並びに丘部８″としての目印８が、素材の粒子線を照射することにより生成される。走査尖端部４及び目印８には、第１の素材を用いるか、又はそれとは異なった素材を用いてもよい。

図２ａに示される保持部材２及びカンチレバー３のみを原材料として、周知の方法によりＳＰＭセンサ１が製作される素材の粒子線の析出により、下面６に走査尖端部４及び上面７に目印８が形成される。そのため、図２の（ｂ）、（ｃ）に示すように、粒子線２０はカンチレバー３に垂直に、カンチレバー３上に焦点を結ぶように照射される。図２の（ｂ）から推察されるように、カンチレバー３の上面７に前方へと散乱する二次粒子線を誘発させて先ず目印８である丘部８″が形成されるように、気体状の素材から局所的に膜が成長するように、焦点面及び粒子線の出力を選択する。

次いで、図２の（ｃ）に示すように、カンチレバー３の下面６上の後方へと散乱する二次粒子線により走査尖端部４が形成されるように、粒子線の出力及びエネルギーを変更する。粒子線の条件を変えても、粒子線の照射方向は変えないので、図２の（ｄ）に示すように、ＳＰＭセンサ１の走査尖端部４と目印８の位置が正確に一致する。

１ ＳＰＭセンサ
２ 保持部材
３ カンチレバー
４ 走査尖端部
５ （カンチレバーの）自由端
６ （カンチレバーの）下面
７ （カンチレバーの）上面
８ 目印
８″ 丘部
２０ 粒子線

Claims (6)

1. 保持部材（２）、カンチレバー（３）、走査尖端部（４）及び丘部（８″）として走査尖端部（４）の反対側のカンチレバー（３）の面上に形成された目印（８）を有するＳＰＭセンサ（１）の製造方法であって、
   保持部材（２）がカンチレバー（３）と共に従来の方法により準備され、次いで素材の粒子線（２０）をカンチレバー（３）上に蒸着することにより走査尖端部（４）及び目印（８）が生成されることを特徴とするＳＰＭセンサの製造方法。
2. 走査尖端部（４）及び目印（８）は、自動調整されて生成されることを特徴とする請求項１に記載のＳＰＭセンサの製造方法。
3. 走査尖端部（４）及び目印（８）の蒸着用素材して、カンチレバー（３）と同じ素材が用いられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＳＰＭセンサの製造方法。
4. 走査尖端部（４）及び目印（８）の蒸着用素材して、カンチレバー（３）と異なった素材が用いられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＳＰＭセンサの製造方法。
5. Ａ 走査尖端部（４）及び目印（８）を除いて、従来の方法により保持部材（２）とそれに固定されたカンチレバー（３）を有するＳＰＭセンサ（１）を準備する工程；
   Ｂ 粒子線（２０）をカンチレバー（３）の下面（６）の走査尖端部（４）を生成すべき位置に照射して局所的に素材を蒸着する工程；
   Ｃ 粒子線（２０）の操作条件を調整して、前方へ照射されるように制御された二次粒子によりカンチレバーの上面（７）に優先的に素材を蒸着して目印（８）を形成する工程；及び
   Ｄ 粒子線（２０）の操作条件を変更して、後方へ照射されるように制御された二次粒子によりカンチレバー（３）の下面（６）の目印（８）に対応する位置に正確に優先的に蒸着して走査尖端部（４）を形成する工程；
   に従って実行されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のＳＰＭセンサの製造方法。
6. 素材を優先的に蒸着する位置を決定するために、粒子線（２０）の出力及び焦点面を操作条件として用いることを特徴とする請求項５に記載のＳＰＭセンサの製造方法。

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