JP2010271187A - 形状計測用カンチレバーおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピエゾ抵抗素子が形成されているＳｉチップ部と触針を設けたＳｉレバー部を別々に製作する、形状計測用カンチレバーおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】（１）レバー３の製造工程、（２）Ｓｉチップ２の製造工程、（３）Ｓｉチップ２とレバー３の接合工程とからなる。
（１）レバー３の製造工程において、レバー３は、シリコン基板１０より、測定箇所に応じた形状に形成し、レバー３先端の触針９も一体的に形成する。
（２）Ｓｉチップ２の製造工程では、シリコンウェーハに、前工程により、エッチング、酸化、拡散、ＣＶＤ、イオン注入、等の工程を経て形成する。
（３）Ｓｉチップ２とレバー３の接合工程では、Ｓｉチップ２とレバー３との当接面外周に、ＣＶＤガス雰囲気中でＦＩＢを照射することによって、タングステン膜を成長、堆積（デポジション）して、Ｓｉチップ２とレバー３とを一体的に接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細箇所の形状を測定するためのピエゾ抵抗素子付カンチレバーに関し、特には、ピエゾ抵抗素子が形成されているＳｉチップ部と触針を設けたＳｉレバー部とを別々に製作し、後工程で接合した構造とする、形状計測用カンチレバーおよびその製造方法に関するものである。

従来、一般的な形状計測用カンチレバーとしては、特許文献１に開示されるように、半導体プロセスでレバー部を製造するようにしている。
すなわち、特許文献１では、半導体基板にエッチング処理により、探針部用のレプリカ穴を形成する工程と、レプリカ穴を含む基板上の領域に、レバー部および探針部の母材料を堆積させる工程と、母材料を所定の形状にパターニングする工程と、基板を除去する工程とからなる製造工程により製造するようにしている。

一方、触針を長くする方法としては、特許文献２で見られるように、シリコン基板の積層方向に直交する方向に触針を設けたプローブも開示されている。

さらに、深溝や段差、凹凸形状に対応したカンチレバーとしては、特許文献３で見られるように、測定面に対しカンチレバー全体を垂直に配置する方法も開示されている。

特開平４−２３１８１１号公報 特開２００７−１２０９６６号公報 特開２０００−２６６６５９号公報

しかしながら、上述の特許文献１では、半導体プロセスでレバー部を製造するため、触針長さは、ベースとなるシリコン基板の厚さ以上にはできない。また、長い触針を半導体プロセスだけで加工しようとすると、時間がかかり、コスト高となる。
一方、特許文献２では、触針部の加工は容易に、短時間で加工することができるが、触針部とピエゾ抵抗素子を同一基板上で形成するため、任意の触針形状のプローブが必要な場合には、ピエゾ抵抗素子も製作する必要があり、トータル加工時間がかかり、コスト高となる。また積層方向に、すなわち基板表面から突出するように触針を設けたい場合には、上記加工法では不可能である。
さらに、特許文献３の場合には、インジェクタ墳孔などの微細孔形状を測定する場合、Ｓｉチップ部本体が邪魔になり、測定することができない。
本発明は、以上のような課題を克服するために提案されたものであって、ピエゾ抵抗素子が形成されているＳｉチップ部と触針（スタイラス）を設けたＳｉレバー部を別々に製作し、後工程で接合した構造とすることで、シリコン基板厚以上の長い触針を持つプローブを製作することができ、これまで不可能とされてきた、例えば微細孔の奥アール形状のものを計測することができるようにした、形状計測用カンチレバーおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、応力検出部（８）を備えたレバー基部（２）と、レバー基部（２）と別体であり、接合材（４）によりレバー基部（２）と一体化接合したレバー（３）と、レバー（３）に設け、測定対象物に接触させてレバー（３）に生ずる応力を、レバー基部（２）の応力検出部（８）に伝達するための触針（９）とを具備し、触針（９）は、レバー基部（２）における応力検出部（８）の形成面に対し、起立していることを特徴とする。

これにより、応力検出部（８）を備えたレバー基部（２）と、レバー基部（２）と別体で構成することから、レバー（３）を自由な形状、大きさ、長さとすることができ、レバー基部（２）先端の触針（９）を、レバー基部（２）の応力検出部（８）形成面に対し起立していることから、測定対象物の形状に合わせることができ、測定可能範囲が広がる。

請求項２に記載の発明では、応力検出部（８）は、レバー基部（２）に形成し、触針（９）による、レバー（３）に生ずる応力を伝達するようにしたピエゾ抵抗素子（５）を具備することを特徴とする。

これにより、測定箇所に触針（９）が触れ、レバー（３）が追従して変位することでレバー（３）に生ずる応力がピエゾ抵抗素子（５）に伝達され、測定箇所の凹凸を把握することができる。

請求項３に記載の発明では、レバー基部（２）に応力検出部（８）を形成する工程と、シリコン基板（１０）より切り出して、所望の形状、大きさ、長さにて、レバー（３）を形成する工程と、レバー（３）先端に触針（９）を形成する工程と、レバー基部（２）に、レバー（３）を接合材（４）により接合する工程とを具備することを特徴とする。

これにより、レバー（３）を、レバー基部（２）とは別体で形成することにより、自由な形状、大きさ、長さに製作することができる。また、レバー（３）先端の触針（９）の向きを自在に設定することができるので、これまで、計測が困難であった箇所も測定が可能となる。

請求項４に記載の発明では、レバー（３）の先端に触針（９）を形成する工程は、予め先端側に向かって、先細形状に加工する第１の加工工程と、第１加工工程にて加工された先細形状の触針（９）を、先端針状に加工する第２の加工工程とを具備することを特徴とする。

これにより、触針（９）を、第１加工工程で、先細形状に形成したものを、第２加工工程で、先鋭な形状の針先に加工するため、加工時間を短縮化することができる。

請求項５に記載の発明では、レバー基部（２）にレバー（３）を接合する工程は、タングステン膜を接合材（４）として用いたことを特徴とする。

これにより、所定の加工装置により、レバー基部（２）とレバー（３）との当接面外周に、タングステン膜を成長、堆積して、レバー基部（２）とレバー（３）とを一体的に接合することができる。

さらに請求項６に記載の発明では、レバー基部（２）にレバー（３）を接合する工程において、レバー基部（２）とレバー（３）との当接面の面積を拡大して、接合材（４）を用いて接合することを特徴とする。

これにより、レバー基部（２）とレバー（３）とを、より強度を確保可能に、一体的に接続することができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本発明によれば、レバー基部とレバーとを、個別に製作するため、これまでのような、半導体プロセスによる、半導体素子の積層方向に触針を突出形成することができない等の制約はなく、シリコン基板上に自由な形状、大きさ、長さのレバー、触針を製作することができる。例えば触針の長いレバーを製作し、接合したカンチレバーを提供することで、深溝や段差、凹凸形状など、これまで測定できなかった形状測定が可能になる。

本発明にかかる形状計測用カンチレバーの一例を模式的に示す、断面的説明図である。 図１に示す形状計測用カンチレバーの製造工程のうち、レバーの製造工程として、ウェーハ基板から各種形状のレバーを切り出すことを示した、模式的な説明図である。 図２に示すウェーハ基板から切り出したレバーにおける先端の触針を加工する際の模式的な説明図である。 図２に示すウェーハ基板から切り出したレバーにおける先端の、加工する前の触針を示す、模式的な拡大斜視図である。 第１加工工程を施した際の触針を示す、模式的な拡大斜視図である。 第２加工工程を施した際の触針を示す、模式的な拡大斜視図である。 形状計測用カンチレバーの製造工程のうち、Ｓｉチップにレバーを接合する工程を説明する際の模式図である。 形状計測用カンチレバーの製造工程のうち、Ｓｉチップにレバーを接合する工程を説明する際の模式図である。 図６に示す、Ｓｉチップにレバーを接合する工程において、接合箇所の一例を示す、模式的な断面説明図である。 Ｓｉチップにレバーを接合する工程において、接合箇所の別例を示す、模式的な断面説明図である。 Ｓｉチップにレバーを接合する工程において、接合箇所の別例を示す、模式的な断面説明図である。 Ｓｉチップにレバーを接合する工程において、接合箇所の別例を示す、模式的な断面説明図である。 本発明にかかる形状計測用カンチレバーを用いて、微細孔の内部形状を測定した一事例を示す、模式的な測定説明図である。 本発明にかかる形状計測用カンチレバーを用いて、逆テーパ孔の内部形状を測定した別の事例を示す、模式的な測定説明図である。

以下、本発明にかかる形状計測用カンチレバーおよびその製造方法において、一実施形態を挙げ、図面に基づいて説明する。
図１に本実施形態にかかる形状計測用カンチレバー１（プローブ）の一例を示す。
このカンチレバー１は、レバー基部２（以下、Ｓｉチップ２）と、Ｓｉチップ２と別体のレバー３とを、接合材４で一体化接合した構成としている。
Ｓｉチップ２は、シリコン基板より半導体プロセスで製作したもので、表層には、応力検出部８としてピエゾ抵抗素子５と、配線６と、コンタクト部７とが形成されている。
レバー３は、後述するが、シリコン基板から任意の形状に切り出される。
この場合、レバー３の先端には、触針９が形成されており、Ｓｉチップ２と接合した際、Ｓｉチップ２のピエゾ抵抗素子５の形成面に対し起立するように、すなわち上向きに触針９の針先を向けるようにしている。レバー３の根元（触針９とは反対側の端部）は、Ｓｉチップ２と接合材４を介し接合されている。

以上のようなカンチレバー１においては、測定対象物に触針９が接触し、レバー３が撓むことで、測定対象物の測定面に沿って触針９を追従させることができる。レバー３が撓むことでレバー３に応力が生じ、この応力によりピエゾ抵抗素子５が歪んで抵抗値が変化する。ピエゾ抵抗素子５は配線６によりコンタクト部７と結線されており、コンタクト部７から外部に信号（抵抗変化量）を取出す構成になっている。
なお、ピエゾ抵抗素子５の抵抗変化量は微弱であるため、検出回路として一般にブリッジ回路等によって検出することができる。

次に、本発明の特徴である形状計測用カンチレバー１の製造工程について説明する。
ここでの製造工程は、主に、（１）レバー３の製造工程、（２）Ｓｉチップ２の製造工程、（３）Ｓｉチップ２とレバー３の接合工程とから成り立っている。

先ず、（１）レバー３の製造工程において、レバー３は、図２に示すように、シリコン基板１０より詳細な説明は省略するがエッチングにより形成する。この場合、レバー３は、測定箇所に応じた形状に形成することができる。その際、レバー３先端の触針９も一体的に形成することができる。
このように、レバー３はシリコンによって、一体的に形成することができるので、所望の形状、大きさ、長さのレバー３を製作することができる。

そして、レバー３先端の触針９の先端は、微細な形状を測定するために尖らせる必要がある。この点、触針９は、シリコンで作られていることから、半導体プロセスにより任意の形状に加工することができる（図３参照）。なお、図３においては、レバー３の基部側には、シリコン基板１０より取出された際に、レバー３をハンドリングするためのハンドリング部３ｂを設けている。かかるハンドリング部３ｂは、後述する（３）Ｓｉチップ２とレバー３の接合工程において、切除される。
シリコン基板１０より形成されたレバー３先端に触針９を形成する工程は、予め先端側に向かって、ブロック形状の状態から（図４ａ参照）、針形状に近付ける先細形状に加工する第１の加工工程（図４ｂ参照）と、第１加工工程にて加工された先細形状の触針９を、先端針状に仕上げ加工する第２の加工工程（図４ｃ参照）とからなる。
かかる加工工程では、例えば既存のＦＩＢ装置が用いられ（図示省略）、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）加工、すなわち集束イオンビーム加工を実行することができる。

ＦＩＢ装置（例えば、特開２００４−９５３３９号公報）は、微細加工用として、ガリウムＧａイオンビームが用いられている。集束イオンビームを当てて被加工物表面の原子をはじきとばす（スパッタリング）ことによって被加工物を削ることができる。集束イオンビームは数１００ｎｍから数ｎｍまで絞ることができるので、ナノ領域での加工が可能である。はじき飛ばされた原子は、周辺に再堆積（リデポジション）する。
高速に加速・集束したイオンビーム（ＦＩＢ）を被加工物表面に照射すると、イオンと被加工物原子間の衝突・散乱現象により、被加工物表面の照射領域が削られる（ミリング）。また、被加工物面上のＦＩＢ照射エリアに反応性のガスを吹き付けることにより、金属質の膜付け機能（ｇａｓ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、あるいはミリングの増速効果（ｇａｓ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｅｔｃｈｉｎｇ）が得られる。
すなわちＦＩＢ装置は、微小領域（数μｍ〜数１０μｍ）のエッチングによる任意形状の加工、微細パターン（数μｍ〜数１０μｍ）の金属被膜形成（例えばＣ、Ｗ、Ｐｔ成膜）を行うことができる。

以上のようなＦＩＢ装置を用いることで、図４ｂに示すように、シリコン基板１０より形成されたレバー３先端に触針９に対し、第１加工工程にて、外形が先細形状の触針９を形成して、これにより、第２加工工程で、ＦＩＢ装置を用いて触針９を先端先鋭化加工する際の加工量を減らし、加工を容易にしている（図４ｃ参照）。勿論、触針９の最終形状に応じて、前加工としての第１加工工程で先細形状の他、第２加工工程での加工量を減らすための中間形状であるウエッジ状に加工したものが考えられる。

次に（２）Ｓｉチップ２の製造工程について説明する。
この工程では、上述のレバー３の加工工程とは別に、図示は省略するが、シリコンウェーハに、従前のよく知られた手順でピエゾ抵抗素子５と、配線６と、コンタクト部７がそれぞれ形成される。
この場合、前工程により、研磨されたウェーハに、フォトリソグラフィ工程により、ウェーハ表面にパターンを形成し、エッチング、酸化、拡散、ＣＶＤ、イオン注入、等の工程を経て形成し、所望の形状に切り出して、Ｓｉチップ２を得ることができる。

（３）Ｓｉチップ２とレバー３の接合工程では、例えばＦＩＢ−ＣＶＤ法（集束イオンビーム化学気相成長法）によりタングステンＷの膜（以下、タングステン膜Ｗ）を接合材として接合させる方法がある。ここでは、先ず、レバー３基部側のハンドリング部３ｂを、ガリウムＧａイオンビームを、集束イオンビームとして当てることで、切断することができる（図５参照）。
次いで、Ｓｉチップ２とレバー３との当接面外周に、ＣＶＤガス雰囲気中でＦＩＢを照射することによって、タングステン膜Ｗを成長、堆積（デポジション）して、Ｓｉチップ２とレバー３とを一体的に接合することができる（図６参照）。
なお、ここでは、タングステン膜Ｗは、Ｓｉチップ２とレバー３との当接面外周の、好ましくは三方に形成され（図７参照）、Ｓｉチップ２とレバー３とが一体化して、レバー３が変位することによるＳｉチップ２への応力伝達は、確実に達成される。

ところで、上述の接合工程では、Ｓｉチップ２とレバー３との接合箇所、すなわち、当接面は、断面矩形状で、断面積が等しいものを示しているが、接合箇所は、何もこの形状に限られない。すなわち、接合箇所には、撓み力がかかり、強度を確保するために、当接断面積を拡大化した接合構造が望ましい。
例えば、図８に示すように、Ｓｉチップ２とレバー３との端面同士を当接させるのではなく、Ｓｉチップ２とレバー３とを段違いに重ね合わせ、上述のＦＩＢ−ＣＶＤ法により、重ね合わせ箇所周囲に、タングステンＷ膜を成長、堆積（デポジション）して、Ｓｉチップ２とレバー３とを一体的に接合することが考えられる。

また、図９に示すように、Ｓｉチップ２とレバー３との端面に、ＦＩＢ加工法により、予め互いに嵌合可能な溝加工しておき、上述のＦＩＢ−ＣＶＤ法により、嵌合箇所周囲に、タングステンＷ膜を成長、堆積（デポジション）して、Ｓｉチップ２とレバー３とを一体的に接合することが考えられる。ＦＩＢ加工法を用いれば、接合箇所に高精度な所望の溝加工を施すことができる。勿論、互いに嵌合可能な構造であればいかなる継ぎ手形状でもよい。

さらに、接合箇所の強度を高めるために当接断面積を拡大化するという観点から、図１０に示すように、互いの突合せ端面を傾斜させて、楔状に加工し、これら楔状加工端面を互いに当接させて、ＦＩＢ−ＣＶＤ法により、重ね合わせ箇所周囲に、タングステンＷ膜を成長、堆積（デポジション）して、Ｓｉチップ２とレバー３とを一体的に接合することも可能である。

以上のようにして、（１）レバー３の製造工程、（２）Ｓｉチップ２の製造工程、（３）Ｓｉチップ２とレバー３の接合工程を経て、カンチレバー１を、測定箇所に応じた形状に形成することができる。

そこで、以上のカンチレバー１を用いて、種々の測定箇所において測定する事例を挙げ、説明する。
例えば図１１では、カンチレバー１（プローブ）を用いて、インジェクタ噴孔２０などの微細孔の内部形状を測定しているところを示している。ここでのカンチレバー１は、ピエゾ抵抗素子５、配線６およびコンタクト部７が形成されたＳｉチップ２に対し、直線状のレバー３を接合したものである。この場合、レバー３のピエゾ抵抗素子５、配線６およびコンタクト部７の形成面に対し、直交方向に突出するレバー３先端の触針９は、３０〜４０μの寸法としている。なお、計測されるインジェクタ噴孔２０は、内径が例えば１００μとしている。かかるインジェクタ噴孔２０において、孔奥が図１１に示すように、内径が急激に拡開する、断面がＲ形状の箇所があるとしても、応力検出部８である、ピエゾ抵抗素子５が応力を検出して、レバー３先端の触針９を孔内壁に沿って追従接触させることができ、インジェクタ噴孔２０の測定が可能であることがわかる。

一方、図１２では、逆テーパ孔３０の内部形状を測定する事例を示している。
この逆テーパ孔３０の測定に用いられるカンチレバー１は、途中で孔径が一定の割合で、拡開する逆テーパ孔３０のテーパ角度に合わせて、屈曲させたレバー３を用いている。
これにより、レバー３先端の触針９は、孔径が一定の割合で拡開するテーパ面に垂直に当てることができ、接触時の滑りをなくした測定が可能となる。

以上、例示した実例はあくまで一例に過ぎず、その他様々な形状の測定箇所が測定対象となり得る。すなわち、測定箇所に合わせた形状のレバー３を予め選定して、Ｓｉチップ２に、上述した製造工程で、レバー３を接合し、測定することができる。

ところで、レバー３先端の触針９を測定面に当接させ、測定する際、レバー３が応力によって変形し、Ｓｉチップ２における応力検出部８のピエゾ抵抗素子５が応力を検出するわけであるが、かかる応力が限界を超えたり、その他何らかの理由で、レバー３を折損することがある。
このような場合、折損箇所は、Ｓｉチップ２とレバー３との接合箇所以外の箇所となる場合がある。

そこで、上述した製造工程のうち、（３）Ｓｉチップ２とレバー３の接合工程において、用いられたＦＩＢ加工を、折損箇所に施して、Ｓｉチップ２とレバー３とに、互いに密接可能な接合端面を形成すればよい。
このようにすることで、例えレバー３が計測の際、折れるようなことがあっても、製造に多くの工程を要し、高価なピエゾ抵抗素子５、配線６およびコンタクト部７が形成されたＳｉチップ２を再度、活用することができ、測定に要する備品コストを抑制することができる。

以上、形状計測用カンチレバーおよびその製造方法において、一実施形態を挙げ、説明したが、製造工程において用いられたＦＩＢ加工、ＦＩＢ−ＣＶＤ法は一例であり、かかる加工法に限られない。
また、接合材４としてタングステンＷを成膜する旨、記載したが、この他、例えばＣ、あるいはＰｔを成膜することも考えられる。

さらに、レバー３先端の触針９をレバー３における、ピエゾ抵抗素子５、配線６およびコンタクト部７の形成面に対し、鉛直方向に突出させる向きとしているが、先行技術文献のように、レバー３における、ピエゾ抵抗素子５、配線６およびコンタクト部７の形成面に面一に形成することも可能である。

１ カンチレバー
２ Ｓｉチップ
３ レバー
４ 接合材
５ ピエゾ抵抗素子
６ 配線
７ コンタクト部
８ 応力検出部
９ 触針
１０ シリコン基板
２０ インジェクタ噴孔
３０ 逆テーパ孔
Ｗ タングステン

Claims (6)

1. 応力検出部（８）を備えたレバー基部（２）と、
   前記レバー基部（２）と別体であり、接合材（４）により前記レバー基部（２）と一体化接合したレバー（３）と、
   前記レバー（３）に設け、測定対象物に接触させて前記レバー（３）に生ずる応力を、前記レバー基部（２）の応力検出部（８）に伝達するための触針（９）と、
   を具備し、
   前記触針（９）は、前記レバー基部（２）における前記応力検出部（８）の形成面に対し、起立していることを特徴とする形状計測用カンチレバー。
2. 前記応力検出部（８）は、前記レバー基部（２）に形成し、前記触針（９）による、前記レバー（３）に生ずる応力を伝達するようにしたピエゾ抵抗素子（５）を具備することを特徴とする請求項１に記載の形状計測用カンチレバー。
3. レバー基部（２）に応力検出部（８）を形成する工程と、
   シリコン基板（１０）より切り出して、所望の形状、大きさ、長さにて、レバー（３）を形成する工程と、
   前記レバー（３）の先端に触針（９）を形成する工程と、
   前記レバー基部（２）に、前記レバー（３）を接合材（４）により接合する工程と、
   を具備することを特徴とする形状計測用カンチレバーの製造方法。
4. 前記レバー（３）の先端に触針（９）を形成する工程は、予め先端側に向かって、先細形状に加工する第１の加工工程と、
   前記第１加工工程にて加工された先細形状の触針（９）を、先端針状に加工する第２の加工工程と、
   を具備することを特徴とする請求項３に記載の形状計測用カンチレバーの製造方法。
5. 前記レバー基部（２）に前記レバー（３）を接合する工程は、接合箇所に金属被膜を成膜して接合材（４）として用いたことを特徴とする請求項３に記載の形状計測用カンチレバーの製造方法。
6. 前記レバー基部（２）に前記レバー（３）を接合する工程において、前記レバー基部（２）と前記レバー（３）との当接面の面積を拡大して、前記接合材（４）を用いて接合することを特徴とする請求項５に記載の形状計測用カンチレバーの製造方法。

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