JP2015526743A - 走査型プローブ顕微鏡検査法用の小型カンチレバー・プローブ、及びその製造方法 - Google Patents

走査型プローブ顕微鏡検査法用の小型カンチレバー・プローブ、及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

カンチレバー・プローブは、上基板、下基板、内側層、第１の分離層、及び第２の分離層からなる多層構造から形成されており、第１の分離層は上基板と内側層の間に位置し、第２の分離層は下基板と内側層の間に位置し、第１の分離層及び第２の分離層は、第１の基板及び第２の基板、内側層に対して差別的にエッチング可能である。上基板は、プローブ先端が形成される第１のデバイス層である。内側層は、カンチレバー・アームが形成される第２のデバイス層である。下基板は、ハンドル又はベース部が形成されるハンドル層である。任意の層のパターン形成及びエッチング処理は、分離層により他の層から隔絶される。

Description

本発明は、一般に、走査型プローブ顕微鏡検査法に関し、より詳細には、小型カンチレバー・プローブ構造、及びその製造方法に関する。
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などの走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）、は、典型的には鋭い先端を使用してナノスケールサイズまで試料の表面の特徴を調べる機器である。本発明のために用いられるナノスケールという用語は、１マイクロメートルより小さい寸法を指す。ＳＰＭは、試料とプローブ先端の間の相互作用を監視する。先端と試料の間に相対走査移動を与えることにより、表面特徴データは、試料上の特定の箇所にわたって取得することができ、その箇所の対応するマップを生成する。その分解能及び多機能性のため、ＳＰＭは、半導体製造、材料科学、ナノテクノロジ、及び生物学的研究などの多数の様々な分野で重要な測定装置である。
典型的なＳＰＭのプローブは、支持体（すなわち、ハンドル）にその基部で固定されていると共に、反対側の自由端から延びる鋭いプローブ先端を有する非常に小型のカンチレバーを備えている。プローブ先端は、検査される試料の表面のとても近くに運ばれ又はそれと接触させられ、試料とプローブ先端の相互作用に応じたカンチレバーの偏向が、例えば、ハンスマ（Ｈａｎｓｍａ）らの特許文献１に記載されるような光てこシステムなどの超高感度偏向検出器、又はひずみゲージ、静電容量センサなどの何らかの他の偏向検出器を用いて測定される。プローブは、試料支持体、プローブ、又は両方の組み合わせに作用する高分解能の３軸スキャナを用いて表面の上で走査される。したがって、この機器は、試料のトポグラフィ又は他の表面特性又はナノ機構特性を測定することができる。カンチレバー・プローブは、導電性材料から作製することができ、電気特性の測定を可能にする。
ＳＰＭは、表面を測定、撮像、又はその他の方法で検査するための各モード、ならびに試料のナノ機構特性を測定するためのモードなどの様々なモードで動作するように構成することができる。接触動作モードでは、典型的には、顕微鏡は一定のプローブ・試料相互作用力を維持しながら試料の表面全体にわたって先端を走査させる。タッピング・モードと呼ばれる場合もある振動モードの動作では、ＳＰＭの先端は、プローブのカンチレバーの共振周波数で又はその近傍で試料と相互作用しながら振動させられる。この振動の振幅又は位相角は、プローブ・試料相互作用の影響を受け、振動の変化が感知される。
プローブを試料の表面上を走査するとき、プローブ位置決め制御システムは、例えば、（接触モードの場合には）カンチレバーの偏向、又は（振動モードの場合には）振動の振幅又は位相角の変化などのプローブと試料表面の相互作用を監視する。この制御システムは、一定のプローブ・試料相互作用を維持するために、試料に対してプローブの位置（又は、振動モードの場合には平均位置）を調整する。したがって、位置調整は、試料のトポグラフィを追跡する。このようにして、位置調整に関連したデータは記憶され、試料を特徴付けるデータに処理することができる。このデータを使用して検査した試料の表面の画像を構成したり、又は選択した表面特徴（例えば、特徴の高さなど）のある種の計測を行ったりすることができる。
プローブ位置調整は、駆動回路により駆動されるカンチレバー位置決めアクチュエータにより影響を受ける。圧電変換時及び磁気変換器を含めてカンチレバー・アクチュエータ
のための様々な技術が公知である。この駆動回路は、プローブ位置決め信号を生成し、このプローブ位置決め信号を増幅してアクチュエータに加えられる駆動信号を生成する。この駆動信号は、試料からのプローブの分離距離を連続的に変えて試料表面の任意のトポグラフィを追跡する。したがって、駆動信号は、ゼロ・ヘルツからＳＰＭの最大動作の帯域幅に関連した周波数までの帯域幅を有し、これは、プローブが試料表面のトポグラフィを追跡できる最大速度に対応する。
ＳＰＭ技術のより最近の開発の一部は、試料をほぼリアルタイムで観察できるようにビデオ速度で走査速度を与えることができる高速スキャニングに重点を置いている。これには、いくつかの課題がある。１つには、カンチレバー・プローブは、必要なビデオ速度で任意のトポグラフィの上を走査可能にするのに十分高い共振周波数を有するべきである。理想的には、カンチレバーは、より大きい範囲が所望の速度で走査できるようにできる限り「高速」にすべきである。約１ＭＨｚ以上の共振周波数が必要とされる。同時に、カンチレバー・プローブは、試料との所与の相互作用力についての偏向量の観点で最大感度を与えるべきである。より感度のよいカンチレバー・プローブは、測定中に試料に及ぼされる力を最小にするために使用することができ、それにより試料の真の特性に関してより良い特性を得る。
残念ながら、カンチレバー・プローブには速度と感度の間にトレード・オフが存在する。より柔らかい、すなわち、より感度のよい小さいバネ定数のカンチレバー・プローブは、低い共振特性を有する傾向があり、そのため高速でない。両方の特性の改善は、カンチレバー・プローブの寸法を縮小することにより得ることができる。したがって、より短い、より狭い、及びより薄いカンチレバー・プローブが望まれている。
カンチレバー・プローブの寸法を縮小することは、それ自体の多くの問題を示す。一般に好適な製造法は、個別的にではなくウェア・スケールで適用されるナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）技法を利用するバッチ処理である。これらの技法は、カンチレバー・プローブの大量生産を可能にする薄膜蒸着及びフォトリソグラフィの動作を含む。カンチレバー・プローブの最小寸法がサブミクロン・スケールへ減少されるにつれて、従来の製造法は、均一に制御することが非常に困難になる。この問題は、化学エッチングの使用、及びカンチレバー・アームになる薄い膜のエッチング量の制御にある。
独自に製造された高性能プローブは、カンチレバー・アームの形成とは別個のステップとして、プローブ先端の電子ビーム誘起蒸着（ＥＢＩＤ）などの技法を用いて作製することができる。しかし、これらの信号デバイス技法は、大量生産になじみにくい。このやり方で生産されたプローブは、量産したプローブよりも１〜２桁費用が大きいものであり得る。したがって、独自に製造されたプローブと同様かそれより良い特性を有するカンチレバー・プローブのバッチ（ウェハ規模）生産を可能にする解決手段が必要とされている。バッチ処理は、複数のデバイス又はＡＦＭプローブを各ウェハで並行に生産し、１つ又は複数のウェハを同時に処理することを意味する。カンチレバー・プローブに用いられる典型的な材料には、シリコン又は窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）膜製のカンチレバー・アームが含まれる。プローブ先端は、様々な材料から作製できるが、比較的単純なエッチング技法と二酸化シリコン（ＳｉＯ２）の層が先端構造に成長される熱酸化法とを用いて先端をとても鋭いものとすることができるので、一般的には、シリコンが好適である。
シリコン・プローブ先端を備えたシリコンのカンチレバー・アームから作製された従来のカンチレバー・プローブの製造では、通常、開始点は、未使用のシリコン・ウェハである。カンチレバー・アームは、あるパターン成形された範囲内で未使用のウェハの厚さを減少させることにより、典型的には１０．２ｃｍ（４インチ）のウェハ内に３００個のデバイスの密度で生産される。そのようなウェハは、通常、一部の範囲内で厚さの変動があ
り、典型的には、厚さ３００ミクロンのウェハの場合には＋／−１ミクロンである。厚さ１ミクロンのカンチレバー・アームを生産するようにエッチングが進行するとき、例えば、エッチングは、３００ミクロンのウェハにおいて２９９ミクロンの材料を除去しなければならない。＋／−１ミクロンでのウェハの厚さの不均一のため、２９９ミクロンの材料を除去すると、３００ミクロンの厚さの範囲内では１ミクロンの厚さのカンチレバー・アームがもたらされ、３０１ミクロンの厚さの範囲内では２ミクロンの厚さのカンチレバー・アームがもたらされ、２９９ミクロンの厚さの範囲内ではカンチレバー・アームが全くないことになる。所望の範囲内の厚さを有するカンチレバー・アームにより定義されたカンチレバー・アームを形成する様々な処理ステップからのカンチレバー・アームの形成歩留りは、（カンチレバー・アームのサイズを超えるサイズを有する領域内で）＋／−１μｍでのウェハの厚さの不均一がウェハ全体にわたって等しく分布している場合、たった約３０％である。工業規模の生産環境では、そのような歩留りは受け入れられない。より大きいバルク材料からカンチレバー・アームとして使用される厚さ１０００ｎｍ未満のシリコンの薄い層を、エッチ速度が正確に制御されても１つのバッチから別のものへ低い生産歩留り又はカンチレバー・アームの厚さの大きな変化に直面することなく、形成することはとても難しい。バネ定数がカンチレバー・アームの厚さの３乗に比例しているので、ゆったりした公差でバッチが生産されるとき、厚さの変化は、バネ定数の変化を指数的に大きくする。
１ミクロンより薄いアームを有するカンチレバー・プローブの作製は、はるかに困難である。１つの手法は、化学気相成長（ＣＶＤ）により等しい厚さとなっている窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）の薄膜などの化学的に類似しない材料を利用し、堆積した材料をカンチレバー・アームにパターン形成することである。窒化シリコンのカンチレバー・アーム及びシリコン先端を用いて作製されたこれらの従来のカンチレバー・プローブでは、シリコン先端及びハンドルを形成する材料のエッチングが実質的に窒化物のカンチレバー・アームに影響を与えないので、窒化物のカンチレバー・アームは、全部シリコンのプローブのカンチレバー・アームよりも薄くかつ均一な厚さで作製することができる。この場合には、カンチレバーの厚さ及びサイズを制御することはずっと容易である。しかし、そのような工程は、ＣＶＤで施したＳｉ３Ｎ４の上に先端を形成するシリコン材料がないので、他の課題、すなわち、異方性エッチングにより鋭い先端を形成するためにシリコンを用いることをもたらす。典型的には、電子線蒸着などの順次（非バッチ）処理が、窒化シリコンのカンチレバー・アーム上に先端を形成するために使用される。
バッチ処理のための他の手法が提唱されてきたが、寸法をスケール・ダウンさせる入り混じった結果及び制限を伴う。また、シリコン先端を形成すると共に窒化物カンチレバー・アームをその所望の幅寸法及び形状にパターン形成するバッチ処理では、従来の工程は、フォトリソグラフィの作業が薄い窒化物の膜だけにより支持される構造上で行わることがしばしば要求されている。これは、典型的なバッチのカンチレバー・アームの約１０％が破損するという結果になり、他の１０％は他の原因により失われる。この減少した歩留りの場合でも、従来の方法を用いて経済的に作製できる最も薄い実際のカンチレバー・アームは約２００ｎｍである。
より最近の進歩により、カンチレバー・プローブの形成前に多層構造がウェハ・レベルで形成される埋設式の層技術が導入された。非特許文献１に開示された工程に使用されているシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）と呼ばれる構造の１タイプでは、酸化物の層は第１のシリコン・ウェハの上に成長され、次いで、第２のシリコン・ウェハは酸化物の上部に接合されて単一のシリコン酸化物シリコン・ウェハ又はスラブを形成し、そこから複数のカンチレバーがバッチ処理により形成することができる。埋設された酸化層は、デバイス層を分離し、その上にシリコンのカンチレバー・アーム及びプローブ先端が形成され、ハンドル層からカンチレバーの基部でシリコンの大部分が維持される。これは、
ハンドル層をシリコンを侵食する化学物質を用いてエッチングすることを可能にするが、二酸化シリコンを侵食せず、デバイス層にもエッチングが入ることなくカンチレバーをリリースする。しかし、デバイス層は、カンチレバー・アームの厚さを制御するために時間で制御された工程を用いてやはりエッチングされなければならない。薄めた腐食液の濃度は、より大きい制御のために材料除去工程を遅らせるために使用できるが、そうすることにより処理能力を減少させると共に、カンチレバー・プローブの製造費用を増加させる。
特許文献２では、埋設された酸化層を、窒化膜カンチレバー・アーム及びシリコン先端を有するカンチレバー・プローブの製造に使用する製造工程が提案されている。この手法では、プローブ先端は、ベース・パッドで形成される。その後、窒化膜が、その一部がシリコン先端のベース・パッドに結合するように堆積される。結果として得られたカンチレバー構造は、ベース・パッドと、カンチレバー・アームの自由端にあるカンチレバー先端とを有する。この手法は、それが裏面からリリースされた後に薄膜窒化物カンチレバー・アームをパターンン成形しなければならない問題に対処することができるが、このベース・パッドの厚さは、上記の理由のため制御することが難しい。カンチレバーのサイズ及び性能は、ベース・パッドと窒化物カンチレバー・アームを整合させること、及び有効なカンチレバー・アームが、窒化膜とプローブ先端まで至るベース・パッドの部分の両方で構成されるカンチレバー構造を有することによりに関する難題によりこの工程においても制限される。
特許文献３では、埋設され窒化物・酸化物多層構造が、バッチ・カンチレバー・プローブ製造の開始点として提案されており、窒化物層が、後の処理ステップでカンチレバー・アームに形成されることが意図されている。埋設された窒化物層を使用することにより、プローブ先端をカンチレバー・アームの上に直接形成することが可能になるが、この手法は、同じ材料で作製されたハンドル層がエッチングされるときにプローブ先端を保護することが必要となる。プローブ先端を保護する典型的なプロトコルは、先端の上に窒化膜の保護被覆を堆積させることを伴い、これによりハンドル層の化学エッチングを阻止する。しかし、次いで、保護層は、除去されなければならず、この除去のエッチングは、カンチレバー・アームに用いられた窒化膜をエッチングすることにもなる。したがって、カンチレバーの厚さを制御する同じ問題が、この手法でも解決されなければならない。
一般に、ＳＰＭプローブの性能は、カンチレバーの共振周波数ｆに比例する動作帯域幅と、カンチレバーのバネ定数ｋに反比例する力の制御のレベルにより測られる。ｆ／ｋの最大化（又は一般にｆ２／ｋとして表される）は、プローブ性能の最適化としてみなされる。非特許文献２によれば、ｆ２／ｋ〜１／ｂｈＬであり、ただし、Ｌは長さ、ｂは幅、及びｈは厚さである。したがって、カンチレバー・アームの全ての寸法を比例して減少させることにより、性能が大いに改善される。非特許文献３により示される極端なものでは、カンチレバーのサイズは、幅、長さ、厚さそれぞれについて２μｍ×８μｍ×０．１μｍまで減少される。しかし、プローブ・サイズの縮小は、上記の多くの理由のため、バッチ処理に大きな課題がある。アンドー（Ａｎｄｏ）らに報告されたサイズの小さいカンチレバーの上に先端を形成する困難に加えて、小さいカンチレバーの自由端にある先端の配置も、リソグラフィの誤差よりとても難しい。したがって、ＳＰＭの分野は、そのような小さいプローブの生産のために高価な順次処理に頼ってきた。
ＳＰＭ応用の追加の要求は、所与のモデル・タイプのプローブが、個々に実質的に均一であることであり、好適にはバネ定数の変動が３０％より小さく、共振周波数の変動が３０％より小さく、先端位置及び幾何学的変動が（先端高さ及び頂点半径の変化）が４０％未満であることを意味する。そのようなプローブを市販の量で生産することは実際的ではなかった。
米国特許第ＲＥ３４，４８９号 米国特許第７，９１３，５４４号 米国特許第７，１８２，８７６号
ユー・チンカイ（Ｑｉｎｇｋａｉ Ｙｕ），チン・ゴーティン（Ｇｕｏｔｉｎｇ Ｑｉｎ），ダルネ・チンマイ（Ｃｈｉｎｍａｙ Ｄａｒｎｅ），ツァイ・チェンジ（Ｃｈｅｎｇｚｈｉ Ｃａｉ），ウォジク・ワンダ（Ｗａｎｄａ Ｗｏｓｉｋ），ａｎｄ ペイ・シン−シェム（Ｓｈｉｎ−Ｓｈｅｍ Ｐｅｉ），Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｈｏｒｔ ａｎｄ Ｔｈｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ ｆｏｒ ＡＦＭ ｗｉｔｈ ＳＯＩ Ｗａｆｅｒｓ，１２６ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ： Ｐｈｙｓｉｃａｌ， Ｉｓｓｕｅ ２ （２００６） ｐｐ．３６９〜３７４ サダー（Ｓａｄｅｒ）ら，Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．７０，３９６７ （１９９９） アンドー（Ａｎｄｏ）ら，Ａ Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｆｏｒ Ｓｔｕｄｙｉｎｇ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，ＰＮＡＳ ９８，１２４６８（２００１）
上記に鑑みて、シリコン又は窒化物のカンチレバー・アームで作製されたシリコン先端カンチレバーを小型化する多数の課題の解決手段が必要とされている。
本発明の各態様は、カンチレバー・プローブが共振周波数及びバネ定数の観点で高い性能を有するように、かつバッチ製造したプローブが当業界でかねてより可能であったものよりも良い均一性を有するように、自動制御でバッチ処理を用いて小型のカンチレバー・プローブを製造できる方法を提供する。本発明の１態様は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）カンチレバーの製造に使用される多層構造を構築する方法に向けられている。この方法によれば、第１の基板及び第２の基板が、第１の分離層及び第２の分離層と共に用意される。第１の分離層及び第１の基板は差別的にエッチング可能であり、第２の分離層及び第２の基板は差別的にエッチング可能である。内側層は、第１の分離層と第２の分離層の間に位置するように用意される。内側層は、第１の分離層及び第２の分離層に対して差別的にエッチング可能である。内側層が、第１の分離層及び第２の分離層によりそれぞれ第１の基板及び第２の基板から隔てられるように、第１の分離層と第２の分離層の間に内側層を位置させることを含む多層構造が組み立てられる。
本発明の関連した態様では、多層構造を組み立てる工程の後、内側層の第１の表面とは反対の第２の表面の別の層との接合を維持しつつ内側層の第１の表面を露出させるように第１の基板及び第１の分離層から材料が選択的に除去される。その後、内側層の一部を除去して、そこからカンチレバー・アームを形成し、その後、内側層の第２の表面を露出させるように第２の基板及び第２の分離層から材料を選択的に除去し、それにより前記カンチレバー・アームをリリースする。こうしたものなどの工程は、０．１〜１Ｎ／ｍの間のバネ定数を有するカンチレバー・プローブ、及び１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの間の共振周波数を有するカンチレバー・アームと先端の組み合わせをバッチ生産することができる。
本発明の別の態様による走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と共に使用されるカンチレバー・プローブは、バルク半導体材料から形成されたベース部と、ベース部の上に位置する近位端、及びベース部の周囲を越えて突出する遠位端を有するカンチレバー・アームと、ベース部とカンチレバー・アームの近位端との間に位置する、カンチレバー・アーム及びベース部に対して差別的にエッチング可能な下分離層と、カンチレバー・アームの遠位端の一部の上に位置するプローブ先端と、プローブ先端とカンチレバー・アームの間に位置する、カンチレバー・アームに対して差別的にエッチング可能な上分離層とを備える。
本発明の別の態様は、走査型プローブ顕微鏡と共に使用されるカンチレバー・プローブの大量生産されたバッチに向けられている。このバッチは、複数のカンチレバー・プローブを含む。各プローブは、バルク半導体材料から形成されたベース部と、ベース部の上に位置する近位端、及びベース部の周囲を越えて突出する遠位端、ならびに３０〜３００ｎｍの厚さを有するカンチレバー・アームと、カンチレバー・アームの遠位端の一部の上に位置するシリコン・プローブ先端とを備える。カンチレバー・プローブのバッチ内のカンチレバー・アームの厚さの分類されていないばらつきは＋／−５％であり、（壊れていないカンチレバー・アームの比として定義される）カンチレバー・プローブのバッチ内の生産歩留りは９０％より大きい。
本発明の別の態様では、ハンドル部、カンチレバー・アーム、及びプローブ先端からそれぞれなるカンチレバー・プローブのバッチを同時に製造する工程であって、
バッチのカンチレバー・プローブごとのハンドル部のための材料を含む第１の層と、バッチのカンチレバー・プローブごとのカンチレバー・アームのための材料を含む第２の層と、バッチのカンチレバー・プローブごとのプローブ先端のための材料を含む第３の層とを含む多層複合ウェハを得る動作と、
複数のカンチレバー・プローブの複数のカンチレバー先端を同時に形成するように、第１のセットのエッチ動作で第３の層から余分な材料を除去する動作と、
複数のカンチレバー・プローブの複数のカンチレバー・アームを同時に形成するように、第２のセットのエッチ動作で第２の層から余分な材料を除去する動作と、
複数のカンチレバー・プローブの複数のハンドル部を同時に形成するように、第３のセットのエッチ動作で第１の層から余分な材料を除去する動作と、
からなり、
第１の層、第２の層、及び第３の層の各々から余分な材料を除去することにより、長さが５〜３０ミクロンであり、幅が２から１５ミクロンの間であり、厚さが３０〜３００ナノメートルである寸法を有する個々のカンチレバー・プローブを形成することになり、カンチレバー・アームの厚さは、第１、第２、及び第３の各エッチング動作の継続期間には依存しないカンチレバー・プローブのバッチを同時に製造する工程である。
本発明のさらに別の態様では、カンチレバー・プローブは、ハンドル部、カンチレバー・アーム、及びプローブ先端を備える。カンチレバー・プローブは、上述のように、カンチレバー・プローブのバッチを同時に製造する工程により生産される。
本発明のさらに別の態様によるカンチレバー・プローブは、カンチレバー・プローブのバッチを同時に製造する工程により生産され、この工程は、
バッチのカンチレバー・プローブごとのプローブ先端構造のための材料を含む第１の層と、バッチのカンチレバー・プローブごとのカンチレバー・アームのための材料を含む第２の層と、バッチのカンチレバー・プローブごとのハンドル部のための材料を含む第３の層とを備える多層複合構造を得ることからなり、
バッチのカンチレバー・プローブごとに、
第１の層の一部を除去し、多層構造の層に直交して向けられている第１の層の直交面を露出させるように、高いアスペクト比の異方性エッチングを実行し、
露出した直交面の上に直交保護層を形成し、
第２の層から離れるように向いている鋭い点を有するプローブ先端構造を形成するように等方性エッチングを用いて第１の層から追加の材料を選択的に除去し、直交保護層が等方性エッチング中に直交面を保存し、
その後に、第１の層の直交面を露出させるように直交保護層を除去し、直交面は、プローブ先端構造の頂点を含む。
本発明の別の態様は、ＳＰＭと共に使用される同時に上に製造され部分的に形成されたカンチレバー・プローブのバッチを有するウェハに向けられる。このウェハは、次の動作でウェハからリリースされる複数のカンチレバー・プローブを含み、各カンチレバー・プローブは、バルク半導体材料から形成されたベース部、ベース部の上に位置する近位端、及びベース部の周囲を越えて突出する遠位端、ならびに３０〜３００ｎｍの厚さを有するカンチレバー・アームと、カンチレバー・アームの遠位端の一部の上に位置するシリコン・プローブ先端とを有する。カンチレバー・アームは、０．１〜１Ｎ／ｍのバネ定数を有し、カンチレバー・アームと先端の組み合わせは、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの共振周波数を有する。
本発明のさらなる態様は、ハンドル部と、ハンドル部の上に位置する近位端及びハンドル部の周囲を越えて突出する遠位端を有するカンチレバー・アームと、カンチレバー・アームの遠位端に近くに位置するプローブ先端構造とからなる改良されたカンチレバー・プローブに向けられる。あるタイプの実施形態では、改良は、カンチレバー・アームが、近位端と遠位端の間の長さ寸法、幅寸法、及び厚さ寸法を有し、長さ寸法及び幅寸法により定められた基準面内で、カンチレバー・アームが、遠位端のフェース部と、フェース部とベース部の間の、フェース部より小さい幅寸法を有するネック部とを含むパドル外形を有する。
別のタイプの実施形態では、改良は、カンチレバー・アームが、近位端と遠位端の間の長さ寸法、幅寸法、及び厚さ寸法を有し、長さ寸法及び幅寸法により定められた基準面内で、カンチレバー・アームが、ネック部と、ショルダ部とを含み、ショルダ部は、カンチレバー・アームの近位端に位置すると共にベース部の周囲を越えて遠位方向に突出し、ネック部は、ショルダ部よりも実質的に小さい幅寸法を有する。
本発明は、以下の添付図面と併せて本発明の様々な実施形態の以下の詳細な説明を検討することによって、より完全に理解することができる。
本発明の各態様が組み込まれている典型的なＳＰＭシステムを示すブロック図。 トポグラフィ追跡のためのアクチュエータ運動に対応する振幅スペクトルの概要を示す図。 振動モードに対応する振幅スペクトル概要を示す図。 粗プローブ位置決めに対応する振幅スペクトル概要を示す図。 圧電スタック・アクチュエータのための構成を駆動する様々なアクチュエータを示す図。 圧電スタック・アクチュエータのための構成を駆動する様々なアクチュエータを示す図。 圧電スタック・アクチュエータのための構成を駆動する様々なアクチュエータを示す図。 圧電スタック・アクチュエータのための構成を駆動する様々なアクチュエータを示す図。 本発明のいくらかの態様による例示的なカンチレバー・プローブの主要部分のいくつかを示す概略図。 あるタイプの実施形態によるショルダ構造の有益な機能を示す図。 プローブ先端が様々な実施形態によるカンチレバー・アームに電気的に接続されている、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）プローブ、シリコン・オン・シリコン（ＳＯＳ）プローブ、及びＳＯＳプローブを製造するように、カンチレバー・プローブがバッチ処理を用いて形成できる例示的な多層構造を示す図。 プローブ先端が様々な実施形態によるカンチレバー・アームに電気的に接続されている、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）プローブ、シリコン・オン・シリコン（ＳＯＳ）プローブ、及びＳＯＳプローブを製造するように、カンチレバー・プローブがバッチ処理を用いて形成できる例示的な多層構造を示す図。 プローブ先端が様々な実施形態によるカンチレバー・アームに電気的に接続されている、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）プローブ、シリコン・オン・シリコン（ＳＯＳ）プローブ、及びＳＯＳプローブを製造するように、カンチレバー・プローブがバッチ処理を用いて形成できる例示的な多層構造を示す図。 一実施形態による図５の多層構造を形成する例示的な工程を段階的に示す図。 一実施形態による図５の多層構造を形成する例示的な工程を段階的に示す図。 一実施形態による図５の多層構造を形成する例示的な工程を段階的に示す図。 一実施形態による図５の多層構造を形成する例示的な工程を段階的に示す図。 一実施形態による図５の多層構造を形成する例示的な工程を段階的に示す図。 図６Ａの多層構造を形成する様々な実施形態による例示的な工程を示す図。 図６Ａの多層構造を形成する様々な実施形態による例示的な工程を示す図。 図６Ａの多層構造を形成する様々な実施形態による例示的な工程を示す図。 図６Ａの多層構造を形成する様々な実施形態による例示的な工程を示す図。 図６Ａの多層構造を形成する様々な実施形態による例示的な工程を示す図。 一実施形態による図６Ｂの多層構造を形成する図８Ｄ〜図８Ｅの工程の変形例を示す図。 一実施形態による図６Ｂの多層構造を形成する図８Ｄ〜図８Ｅの工程の変形例を示す図。 一実施形態による図６Ｂの多層構造を形成する図８Ｄ〜図８Ｅの工程の変形例を示す図。 一実施形態による図６Ｂの多層構造を形成する図８Ｄ〜図８Ｅの工程の変形例を示す図。 図５の多層構造から始まるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）カンチレバー・プローブのバッチ製造の一実施形態による例示的な工程を示す図。 図５の多層構造から始まるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）カンチレバー・プローブのバッチ製造の一実施形態による例示的な工程を示す図。 図５の多層構造から始まるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）カンチレバー・プローブのバッチ製造の一実施形態による例示的な工程を示す図。 図５の多層構造から始まるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）カンチレバー・プローブのバッチ製造の一実施形態による例示的な工程を示す図。 図５の多層構造から始まるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）カンチレバー・プローブのバッチ製造の一実施形態による例示的な工程を示す図。 図５の多層構造から始まるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）カンチレバー・プローブのバッチ製造の一実施形態による例示的な工程を示す図。 図５の多層構造から始まるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）カンチレバー・プローブのバッチ製造の一実施形態による例示的な工程を示す図。 図５の多層構造から始まるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）カンチレバー・プローブのバッチ製造の一実施形態による例示的な工程を示す図。 図５の多層構造から始まるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）カンチレバー・プローブのバッチ製造の一実施形態による例示的な工程を示す図。 図５の多層構造から始まるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）カンチレバー・プローブのバッチ製造の一実施形態による例示的な工程を示す図。 図５の多層構造から始まるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）カンチレバー・プローブのバッチ製造の一実施形態による例示的な工程を示す図。 図５の多層構造から始まるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）カンチレバー・プローブのバッチ製造の一実施形態による例示的な工程を示す図。 図５の多層構造から始まるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）カンチレバー・プローブのバッチ製造の一実施形態による例示的な工程を示す図。 図５の多層構造から始まるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）カンチレバー・プローブのバッチ製造の一実施形態による例示的な工程を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 カンチレバー・アームの遠位端に揃えられた自己整合のプローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成する一実施形態によるバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ａの多層構造から始まる、とても薄いシリコンのカンチレバー・アーム及びシリコン・プローブを有するカンチレバー・プローブを製造する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ａの多層構造から始まる、とても薄いシリコンのカンチレバー・アーム及びシリコン・プローブを有するカンチレバー・プローブを製造する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ａの多層構造から始まる、とても薄いシリコンのカンチレバー・アーム及びシリコン・プローブを有するカンチレバー・プローブを製造する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ａの多層構造から始まる、とても薄いシリコンのカンチレバー・アーム及びシリコン・プローブを有するカンチレバー・プローブを製造する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ａの多層構造から始まる、とても薄いシリコンのカンチレバー・アーム及びシリコン・プローブを有するカンチレバー・プローブを製造する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ａの多層構造から始まる、とても薄いシリコンのカンチレバー・アーム及びシリコン・プローブを有するカンチレバー・プローブを製造する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ａの多層構造から始まる、とても薄いシリコンのカンチレバー・アーム及びシリコン・プローブを有するカンチレバー・プローブを製造する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ａの多層構造から始まる、とても薄いシリコンのカンチレバー・アーム及びシリコン・プローブを有するカンチレバー・プローブを製造する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ａの多層構造から始まる、とても薄いシリコンのカンチレバー・アーム及びシリコン・プローブを有するカンチレバー・プローブを製造する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ａの多層構造から始まる、とても薄いシリコンのカンチレバー・アーム及びシリコン・プローブを有するカンチレバー・プローブを製造する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ａの多層構造から始まる、とても薄いシリコンのカンチレバー・アーム及びシリコン・プローブを有するカンチレバー・プローブを製造する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ａの多層構造から始まる、とても薄いシリコンのカンチレバー・アーム及びシリコン・プローブを有するカンチレバー・プローブを製造する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ｂの多層構造から始まる導電性カンチレバー・プローブを形成する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ｂの多層構造から始まる導電性カンチレバー・プローブを形成する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ｂの多層構造から始まる導電性カンチレバー・プローブを形成する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ｂの多層構造から始まる導電性カンチレバー・プローブを形成する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ｂの多層構造から始まる導電性カンチレバー・プローブを形成する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ｂの多層構造から始まる導電性カンチレバー・プローブを形成する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ｂの多層構造から始まる導電性カンチレバー・プローブを形成する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ｂの多層構造から始まる導電性カンチレバー・プローブを形成する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ｂの多層構造から始まる導電性カンチレバー・プローブを形成する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ｂの多層構造から始まる導電性カンチレバー・プローブを形成する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ｂの多層構造から始まる導電性カンチレバー・プローブを形成する例示的なバッチ処理を示す図。 一実施形態による図６Ｂの多層構造から始まる導電性カンチレバー・プローブを形成する例示的なバッチ処理を示す図。
本発明は、様々な修正形態及び変更形態に適用可能であるが、その明細書は、図において例により示されており、詳細に説明される。しかし、本発明を、記載した特定の実施形態に限定する意図はないことを理解されたい。反対に、添付の特許請求の範囲に何らかの具体的な限定がされない限り、修正形態、均等形態、及び代替形態の全てを含むことが意図されている。
図１は、典型的なＳＰＭシステム１００の一部を示す最上位の図である。システム１００は、プローブ１０４を保持するカンチレバー１０２を備える。プローブ１０４は、表面１０８を有する試料１０６を検査するために使用される。表面１０８は、あるトポグラフィを有し、これは、ある種の応用では検査対象である。より詳細には、対応するアスペクト比により定められる主要面を有さない試料については、試料のトポグラフィが、同様に、ＳＰＭにより検査され得る。本明細書中では、トポグラフィという用語は、限定するものではないが試料の表面特徴を含む試料又は試料の一部の３次元プロファイルを表すものとして定義される。
この検査は、表面１０８とプローブ１０４の間の検出可能な相互作用を確立するために、カンチレバー１０２、試料１０６、又は両方のいずれかを動かすことにより表面１０８に対してプローブ１０４の位置を定めることによって遂行される。プローブ１０４が、試料を上をすなわち試料を横切って走査させられると共に、プローブ１０４が、試料１０６のトポグラフィ、例えば、表面１０８のトポグラフィなどを追跡する。トポグラフィの追跡には、試料上に存在する以下の特徴、例えば、線、くぼみ、壁、コーナ、空洞、突出等
などが含まれるが、これらに限定されない。
一実施形態では、図１に示したように、ＳＰＭシステム１００は、表面１０８に対してカンチレバー１０２を動かして図２Ａに示したような運動２０２を引き起こすことによりアクチュエータ１１０がプローブ・試料相互作用を調整するアクチュエータサブシステムを含む。図２Ａは、運動２０２の振幅スペクトルを示しており、ただし、運動２０２は、振幅Ａとロールオフ周波数ｆ１に基づく帯域幅とを有する。関連した各実施形態では、アクチュエータ１１０は、カンチレバー１０２に対して試料１０６を移動することができ、又はアクチュエータ１１０は、試料１０６とカンチレバー１０２の両方を移動することができる。カンチレバー１０２と試料１０６の相対移動は、表面１０８に直角又は斜めであり得ると共に、並進運動成分又は回転運動成分を含み得る。簡単にするために、プローブ・試料相互作用のレベルを調整する試料１０６とカンチレバー１０２の相対再位置決めは、ｚ方向の又はｚ軸に沿った運動として本明細書では呼ばれているものとする。
ＳＰＭシステム１００は、プローブ１０４と試料１０６の間の結合を含む機械構造がプローブと試料の間の相対運動の減衰、共振、又はその他の相互作用を低減する又は防ぐように構築することができることを当業者は理解されよう。例えば、アクチュエータ１１０は、シャーシにしっかりと取り付けることができ、このシャーシには試料１０６もしっかりと装着されている。
カンチレバー１０２又は試料１０６あるいは両方を移動させるアクチュエータを含む追加の機械システム１１２も設けることができ、プローブ１０４と表面１０８の相対運動が表面１０８にほぼ平行である面に沿っているようになっている。簡単にするために、この運動は、ｘ−ｙ方向の運動又はｘ軸もしくはｙ軸に沿った運動と呼ばれているものとする。ｘ−ｙ方向のこの運動は、表面１０８の上のプローブ１０４の走査を助ける。プローブ１０４が試料１０８の上での上で走査させられるとき、アクチュエータ１１０は、ほぼ一定レベルのプローブ・試料相互作用を維持するように、カンチレバー１０２と表面１０８との相対再位置決めを調整して運動２０２を作り出し、これによりプローブ１０４が表面１０８のトポグラフィを追跡する。振動モード・システムでは、プローブ・試料相互作用を振動周期について平均化して、プローブ１０４が表面１０８の上で走査されるときに維持されるプローブ・試料相互作用のレベルを表す対応するスカラ量を生成することができる。
追加の機械システム１１２は、振動モードで動作するそれらの実施形態についてのカンチレバー１０２の振動運動を助けることができる。図２Ｂは、振動モードによる振動運動２０４の振幅スペクトルを示す。振動運動２０４は、振幅Ａより実質的に小さい振幅Ｂを有する。典型的には、振動運動２０４は、ｚ方向であると共に、振動周期に沿って様々な点でプローブ・試料相互作用に影響を及ぼすが、一般には、振動運動は、表面１０８のトポグラフィを追跡するために使用されない。振動運動２０４は、周波数ｆ１よりずっと高いものであり得るカンチレバー／プローブ機構の共振周波数の又はその近くの周波数ｆ２を中心とする狭い帯域幅を有する。この比較的狭い帯域幅は、表面１０８の任意のトポグラフィを追跡するために運動２０４がプローブ１０４を移動させるのを妨げる。ｚ軸運動の帯域幅は、ゼロ・ヘルツ（すなわち、直流）を含む。トポグラフィ追跡運動２０２の振幅Ａは、振動運動２０４の振幅Ｂよりかなり大きい変位を有する。一実施形態では、例えば、トポグラフィ追跡運動２０２は、少なくとも１ミクロンの変位を有する。別の実施形態では、運動２０２は、少なくとも１０ミクロンの変位を有する。
さらに、追加の機械システム１１２は、プローブ１０４と表面１０８の高速の接触及び離脱のためのｚ軸に沿った粗調整を含むことができる。図２Ｃは、粗調整運動２０６の振幅スペクトルを示す。粗調整運動２０６は振幅Ｃを有し、振幅Ｃはトポグラフィ追跡運動
２０２の振幅Ａに対応する変位よりかなり大きい変位を与える。しかし、典型的には、粗運動２０６は、ｚ軸に沿ったその分解能に限定され、したがって表面１０８のトポグラフィを高速で追跡するためには役立たない。トポグラフィがアクチュエータ１１０の範囲を超えて変化する場合などのある種の状況では、追加の機械システム１１２により設けられた粗ｚ軸調整は、その変位の範囲内でアクチュエータ１１０を動作させるようにカンチレバー１０２又は試料１０６を再位置決めするために使用することができる。
関連したタイプの実施形態では、アクチュエータ１１０を利用して、振動モード運動２０４又は粗ｚ方向運動２０６を実現することができる。上記の実施形態にあるように、アクチュエータ１１０により実現される振動運動２０４は、振動運動２０４は狭帯域駆動信号に応答すると共に比較的より小さい変位を有するという点でトポグラフィ追跡運動２０２と異なる。アクチュエータ１１０により実現される粗ｚ軸運動２０６は、粗ｚ軸運動２０６がかなり限られた帯域幅を有するという点でトポグラフィ追跡運動２０２と区別される。したがって、粗ｚ軸運動は、トポグラフィ追跡運動２０２によりサポートされるより高い走査速度で表面１０８のトポグラフィを追跡するために使用することができない。
あるタイプの実施形態では、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸用のアクチュエータは、圧電スタックである。関連した各実施形態では、アクチュエータは、限定するものではないが、電歪み、磁歪、静電、誘導、及び／又はボイス・コイル駆動機構から形成された他の圧電素子のアクチュエータ、ならびに入力信号に応じて運動を生じさせる他のアクチュエータを含む任意の個数の代替の作動技術を用いることもできる。
図３Ａ〜図３Ｄは、運動２０２、２０４、及び２０６をそれぞれもたらすトポグラフィ追跡信号３０６、振動モード信号３０８、及び粗ｚ軸調整信号３１０を用いてカンチレバー３０４に結合した圧電スタック型のＺ軸アクチュエータ３０２を駆動する様々な例の構成を示す。図３Ａの構成では、トポグラフィ追跡信号３０６は、振動モード信号３０８と直列に加えられてこれらの信号の重ね合せを生成する。図３Ｂでは、粗ｚ軸調整信号３１０は圧電スタック３０２全体に加えられ、一方、トポグラフィ追跡信号３０６は、スタック３０２のより小さい部分セットに加えられる。振動モード信号３０８は、スタック３０２のさらに小さい部分に加えられる。対応する異なる個数の圧電素子へこれらの信号を加えることにより、望ましい変位スケーリング特性、分解能スケーリング特性、及び負荷スケーリング特性を与える。図３Ｃの実施形態では、トポグラフィ追跡信号３０６及び振動モード信号３０８は、駆動信号増幅器３１２において差別増幅される。図３Ｄの構成では、トポグラフィ追跡信号３０６は、コモン・モードで圧電スタック３０２に加えられ、一方、振動モード信号３０８は、スタック３０２のある部分間に差別的に加えられる。図３Ａ〜図３Ｄのこれらの構成例は、様々な駆動装置の利用可能性を単に示すものであり、可能な変形例の範囲を網羅的に示すものとしてとらえられるべきではない。
再び図１を参照すると、ＳＰＭシステム１００は、表面１０８を追跡するために、モニタ１１４と、運動２０２を制御するためのコントローラ１１６とを備えた制御システムを有する。プローブ・試料相互作用は、モニタ１１４により監視される。一実施形態では、モニタ１１４は、レーザ・ビーム偏向システムがカンチレバー１０２の偏向を測定する光学系を利用する。振動モードの実施形態では、プローブ・試料相互作用の変化は、プローブ・試料相互作用による共振特性の変化に起因する振動の位相オフセットのシフトなどにおける振動特性の変化を観察することにより検出することができる。
モニタ１１４は、プローブ・試料相互作用を示す信号１１５を生成し、信号１１５をコントローラ１１６に供給し、コントローラ１１６は、維持されるプローブ・試料相互作用の量を表す設定値信号と信号１１５とを比較する。コントローラ１１６は、プローブ位置決め信号１１７を生成し、プローブ位置決め信号１１７は、表面１０８のトポロジを表す
ものとしてアナライザ１１８に入力される。図１に示された実施形態では、モニタ１１４及びコントローラ１１６は、フィードバック制御トポロジを実現する。他の実施形態では、他のタイプの制御トポロジが可能である。例えば、フィ−ド・フォワード制御システム、又はモデル・ベース制御システムを利用することができる。
増幅器１２０は、プローブ位置決め信号１１７を増幅してカンチレバー駆動信号１２１を生成する。１例の実施形態では、増幅器１２０は、単一の回路基板上の単品の及び集積化した電気／電子部品を用いて実装される。他の実施形態では、増幅器１２０の回路は、複数の相互接続した回路基板、又は複数の別個の相互接続された同封物にまたがる。増幅器１２０は、内部フィードバック・ネットワーク１２２と、負荷分離インピーダンス１２４とを含む。
上述のように、ＳＰＭ製造業者は、良好な測定感度を実現しつつ高速測定を助ける解決手段を必要としている。これは、感度増加のための柔らかいバネ定数と共に高速動作のための高い共振周波数を有する小さくて薄いカンチレバー・プローブを必要とする。したがって、本発明の各態様は、新型のＳＰＭカンチレバー・プローブ、及び関連した製造方法、ならびに様々とても厳しい公差で高い生産歩留りを助けるための関連した特徴に向けられている。
図４Ａは、本発明の各態様による例示的なカンチレバー・プローブ４００の主要部分のいくつかを示す概略図である。これらの部分は、原寸に比例して描いたものではない。カンチレバー・プローブ４００は、ベース部すなわちハンドル４０２で構成されている。ハンドル４０２は、それがカンチレバー・プローブを把持するために使用されているのでそのように名付けられている。いくつかの実施形態では、カンチレバー・プローブ４００の他の部分はとても小さく、それらはかなり拡大しないと見えない。ハンドル４０２は、シリコンなどのバルク材料の比較的大きい部品から一般に作製される。カンチレバー・アーム４０４は、近位端４０４ａ及び遠位端４０４ｂを有する。カンチレバー・アーム４０４は、一般にシリコン又は窒化シリコンといった材料の１つの１次層から作製されるが、もちろん他の材料が使用されてもよい。いくつかの実施形態では、金属被覆が、カンチレバー・アーム４０４の片側に施されて、ある種の材料は関心の光波長でこの特徴を不要にするのに十分反射性であり得るが、レーザ・ビーム偏向測定装置と共に用いるために光反射率を助ける。構造的に、カンチレバー・アーム４０４が形成されている材料は、ハンドル４０２の上に位置すると共に取り付けられている部分４０４ｃを有する（だが、この部分はカンチレバーとしてそれ自体は機能しない）。
遠位端４０４ｂには、頂点４０８を有するプローブ先端４０６が位置している。好ましい実施形態では、プローブ先端４０６は、シリコンから形成することができるが、他の実施形態では、他の適切な材料が使用され得る。一実施形態では、プローブ先端４０６は、ピラミッド構造である。別の実施形態では、プローブ先端４０６は、頂点４０８がカンチレバー・アーム４０４の遠位端に位置するように、カンチレバー・アーム４０４の末端と位置を揃えられた直角三角形の外形を有する。見える先端と呼ばれるこの後者のタイプのプローブ先端は、実際には拡大しないと見えず、カンチレバー・プローブがＳＰＭと共に使用されているときには見えず、むしろ、操作者は、頂点４０８がカンチレバー・アーム４０４の端と縦方向に縦方向に揃っていることを知っていれば、カンチレバー・プローブの位置を推論することができる。
関連した実施形態では、カンチレバー・アーム４０４はショルダ４１０を備え、このショルダ４１０は、より狭いネック部４１２よりも幅が広いカンチレバー・アーム４０４の部分である。ショルダ４１０は、ハンドル４０２の上の近位端に位置している。ショルダ４１０は、ネック部４１２よりもずっとその幅が大きいために、実質的より大きいバネ定
数を有する。一実施形態では、ショルダ４１０は、カンチレバー４００全体のバネ定数にわずかな取るに足りない影響しか与えず、カンチレバー・アーム４０４の有効長さは、従来のカンチレバー・プローブにおけるようにカンチレバー・アーム・ハンドル接合部からではなくショルダ・ネック接合部から測られるようになっている。
図４Ｂは、ショルダ４１０の有益な機能を示す図である。この図では、小さくて薄いカンチレバーが、ショルダなしで断面図に示されている。ハンドル４０２の厚さは、そこに行われたエッチングの量に左右され、これは正確に制御することが難しい。したがって、線４３０及び線４３２により示されるように、厚さにいくらかの変動が見られる。シリコンがハンドル４０２用の材料とされる場合、カンチレバー４０４がリリースされると、ハンドル４０２は、シリコンの結晶構造の後に材料の除去によりカンチレバー・アーム４０４に対して１２５．３度の角度を形成する。これは、４３４に示された有効カンチレバー・アーム長さの変化になる。従来のカンチレバー・プローブでは、この長さの変化は、比較的大きい寸法に与えられるとき無視してもよい。しかし、小型のカンチレバー・プローブでは、この長さの変化は、
Figure 2015526743
により定められたバネ定数にかなり大きく影響を及ぼし得る。ここで、Ｅはヤング率であり、ｗはカンチレバー・アームの幅、ｔはカンチレバー・アームの厚さ、Ｌはカンチレバー・アームの長さである。
幅広のショルダ４１０の使用は、遠位方向のハンドル４０２の周囲を越えてのショルダ４１０の突出量が潜在的な長さの変化４３４を超える場合、この問題をすっかり未然に防ぐ。特定の一実施形態では、ショルダの幅は、ネック部４１２の幅の少なくとも１０倍である。他の実施形態では、ショルダとネックの幅の比は２５：１、５０：１、及び１００：１以上である。
図４Ａをさらに参照すると、関連した実施形態では、パドル面４１４の形態のより幅の広い部分が、遠位端４０４ｂに位置している。様々な実施形態では、パドル面４１４は、円形、楕円形、正方形、三角形、又は任意の適切な形状とすることができる。パドル面４１４は、ＳＰＭ機器のレーザ・ビーム偏向システムにおけるレーザ・ビームの標的を与えるために狭いネック部４０４により利用できる表面積よりも大きい表面積を与える。一実施形態では、パドル面４１４は、直径が２〜４ミクロンの範囲の概して丸い外形を有する。パドル面４１４は、十分に小さいレーザ・スポットを使用するシステム、又はカンチレバーの偏向を決定するのに光学的手段を使用しないＳＰＭシステムのために、完全に省略することができることを理解されたい。様々な実施形態では、カンチレバー・アームのネック部４０４の長さは、パドル面４１４の直径より大きい。他の実施形態では、ネック部４０４は、パドル面４１４の直径より短い。様々な実施形態の中で、ネック部及びパドル面の相対寸法は、所望のバネ定数、所望の共振周波数、材料特性、レーザ・スポット・サイズ、及び他のパラメータに応じて変わり得る。１例の実施形態では、パドル面の直径とネック部の幅の比は、少なくとも２：１である。関連した実施形態では、この比は、２：１〜４：１の間である。別の例の実施形態では、パドル面の直径とカンチレバーの長さの比は、２：１〜１：５の間である。これらの比及び範囲は、例示的であり、特許請求の範囲の中で具体的に宣告されない限り、限定として構成されるものではない。
様々な実施形態によれば、カンチレバー・プローブ４００は、有効長さ３０ミクロン（すなわち、ショルダ・ネック接合部から測定されたものである）、幅１５ミクロン、及び厚さ３００ｎｍより小さい寸法を有する。１特定の実施形態では、有効長さは５〜３０ミクロンであり、最大幅は２〜１５ミクロンであり、厚さは３０〜３００ｎｍである。より洗練された実施形態では、厚さは２０〜２００ｎｍである。さらなる実施形態では、厚さは３０〜１００ｎｍである。さらなる実施形態では、厚さは、３０ｎｍより薄くすることができる。ある特定の実施形態は、長さ８ミクロン、最大幅２ミクロン、及び３０〜３００ｎｍの厚さを与える。特に、これらの寸法は、本発明の各態様によれば、ウェハ・スケール、すなわちバッチ処理により実現され、そこでは、（処理中の特定の長さ、幅、及び厚さの寸法におけるカンチレバーの非破損として定義される）生産歩留りが９０％以上で、上記のものなどのサイズ寸法及び厳しい公差（例えば、＋／−５％の厚さの変動）を有する複数のカンチレバー・プローブを、パターン成形技法及びエッチング技法を同時に適用してバッチで生産する。カンチレバーの性能の観点では、一実施形態によれば、カンチレバー・アームのバネ定数は０．１〜１Ｎ／ｍであり、共振周波数は１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚである。関連した実施形態では、カンチレバー・プローブは、バネ定数が０．１Ｎ／ｍ〜１Ｎ／ｍであり、共振周波数が１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚであるバッチ処理により生産される。
本発明の１態様では、多層のウェハ規模構造は、まず厳しい公差の工程を用いて製造され、すなわち、そこから複数のカンチレバー・プローブが、続くバッチ動作を用いて形成できる。図５、図６Ａ、図６Ｂは、例示的な多層構造を断面図（原寸に比例してない）として示す。これらの例示的な構造は、以下の共通の構成、すなわち、第１のデバイス層と、ハンドル層と、これらの間に位置する第２のデバイス層とを有し、ハンドルと第２のデバイス層の間、及び第１のデバイス層と第２のデバイス層の間には分離層がある。第１のデバイス層はプローブ先端の中に形成されるのに対して、第２のデバイス層はカンチレバー・アームの中に形成される。以下に詳述する実施形態では、ハンドル及び第２のデバイス層はシリコンであり、一方、第１のデバイス層は、本明細書中で低応力窒化物とも呼ばれるシリコン又は低圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）シリコン窒化膜とすることができ、分離層は、単に酸化物とも呼ばれる二酸化シリコンである。しかし、本発明の各実施形態の積層技法と併せて他の適切な材料が使用されてもよいことが理解されよう。
まず図５に移ると、多層構造５００は、第１のデバイス層としてシリコン基板５０２、それに続いて酸化物から作製された第１の分離層５０４、ＬＰＣＶＤ窒化物から形成された内側層としての第２のデバイス層、それに続いて第２の分離層５０８、そしてハンドル層として第２のシリコン基板５１０を備えている。分離層５０４，５０８は、それぞれ第１のデバイス層５０２及び第２のデバイス層５０４の各々、ならびにハンドル層５１０に対して差別的にエッチング可能である。差別的にエッチング可能という用語は、一方の層が他方の層よりもずっと大きい速さでエッチングでき、より遅いエッチ速度の材料がエッチ・ストップ層として働くことができるようになっていることを示唆する。典型的には、差別的にエッチング可能な材料は、少なくとも５０のエッチ速度比を有する。用いられている層材料及び腐食液に応じて、差別的なエッチ比は、１００、１０００以上であり得る。あるタイプの実施形態では、隣接した差別的にエッチング可能な層の相対厚さは、差別的なエッチ速度を構成するように形成されており、材料が取り除かれる層と、他の層を保存するためにエッチ・ストップとして働く層とは、続く処理において露出され、材料が十分に取り除かれると共に、（エッチングによりいくぶん減少するにも関わらず）エッチ・ストップ層が残るようになっている。したがって、多層構造に関しては、デバイス層は、その厚さが、エッチング動作の持続期間により影響を受けないように処理全体を通じて保護される。これは、層の厚さについて小さい公差で、とても厳しい制御を可能にする。
図６Ａ及び図６Ｂでは、内側層６０６、すなわち第２のデバイス層、すなわちカンチレ
バー・アームの中に形成される層は、シリコンである。したがって、これらの構造は、以下のように、すなわち、第１のデバイス層６０２（シリコン）、第１の分離層６０４（酸化物）、第２のデバイス層６０６（シリコン）、第２の分離層６０８（酸化物）、及びハンドル層６１０（シリコン）のように層状である。図６Ｂは、続く動作で第１のデバイス層６０２から形成されるプローブ先端の下に位置するポリシリコンなどの導電性材料のパッド６１２を含む。導電性パッド６１２は、導電性プローブ（このプローブは、第１のデバイス層及び第２のデバイス層のための高度にドープされたシリコンを用いて導電性になされ得る）と共に使用するために第１の分離層６０４を通じた電気接続を行う。
次に、図７Ａ〜図７Ｅに移ると、多層構造５００を形成する例示的な工程が示されている。図７Ａでは、２つの別個のシリコン・ウェハなどの基板５０２’ ，５１０’が用意
されている。次に、図７Ｂに示されるように、酸化層５０４ａ，５０４ｂ，５０８ａ，５０８ｂが、表面上に熱成長されている。次に、図７Ｃに示されるように、ＬＰＣＶＤ窒化物５０６ａ，５０６ｂは、それぞれ酸化層５０８ａ，５０８ｂの上に堆積される。窒化物層５０６ｂは、本実施形態では必要とされないが、窒化物層５０６ｂは、次の工程で付随的に除去されるので、その堆積を防ぐ必要はない。図示したように、窒化物層５０６ａ，５０６ｂは、ハンドル層ウェハの上に堆積されるが、それは、その代わりに又はハンドル基板に加えて、第１のデバイス層基板に施されてもよいことが容易に理解されよう。次に、図７Ｄに示されるように、層５０６ａ，５０４ｂが研磨され、接合される。接合は、（シリコンと酸化物の接合用の）融着又は陽極接合を用いて実現することができる。次に、図７Ｅに示されるように、第１のデバイス層基板５０２’及びハンドル層基板５１０’は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ：ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈ）法、又は他の適切な操作によりその目標厚さまで研削及び研磨される。結果として得られた層は、シリコンデバイス層５０２及びシリコンハンドル層５１０である。
図８Ａ〜図８Ｅは、様々な実施形態による多層構造６００ａを形成する工程を示す。図８Ａに示されるように、３つのシリコン基板６０２’ ，６０６’ ，６１０’は、開始点として使用される。次いで、分離層６０５ａ〜ｆは、図８Ｂに示されるように作り出される。一実施形態では、分離層６０５ａ〜ｅは、熱成長される酸化層である。別の実施形態では、分離層６０５ａ〜ｆは、適切な方法を用いて堆積される窒化膜である。別の実施形態では、分離層６０５ａ〜６０５ｅのいくつかは、酸化物とすることができ、一方、他のものは窒化物である。
次に、図８Ｃに示されるように、被覆された基板６０６’ ，６１０’は、（層６０５
ｄと６０５ｅの間の）その接合部で研磨され、融着又は陽極接合の方法を用いて共に接合され、埋設された分離層６０８を形成する。次に、図８Ｄに示されるように、第２のデバイス層６０６が、目標厚さまで基板６０６’を研削及び研磨することにより形成される。この目標厚さは、とても薄い（例えば、３００ｎｍ以下の）厚さが目標公差以内で得られるように適切な処理パラメータを用いて注意深く制御される。次に、（分離層６０５ｂを被覆した）第１のデバイス層基板６０２’と内側（第２のデバイス）層６０６との間の接合部が研磨され、図８Ｅに示されるように、各層が融着又は陽極接合され、埋設された分離層６０４を形成する。次いで、上面及び下面が、それらの目標厚さまで研削及び研磨され、この工程中に層６０５ａ，６０５ｆを除去する。
図８ＥＥ〜８ＨＨは、多層構造６００ｂを形成するための図８Ｄ〜図８Ｅの様々な工程を示す。図８ＥＥに示された工程は、図８Ｄに示された状態から続いており、内側（第２のデバイス）層６０６が、その目標厚さまで研削及び研磨される。酸化物又は窒化物からの新しい分離層６１５が、層６０６の上にそれぞれ成長又は堆積されている。次に、図６Ｆ’に示されるように、フォトリソグラフィ及び選択エッチングを用いて層６０６の上面上の新しい分離層６１５の一部が除去されて、パターン成形された層６１５’中に空所を
形成する。次いで、ポリシリコン６１２’層が、ポリシリコンの一部がパターン成形された層６１５’中の空所を充填するように堆積される。次に、図８ＧＧに示されるように、ポリシリコン６１２’がパターン成形されて、層６１５’中の空所内を充填する部分６１２を除いたポリシリコンの全部を除去する。このようにして、ポリシリコン部分６１２は、導電性パッドを形成する。
次に、第１のデバイス層基板６０２’は、この工程の中でその目標厚さに研削及び研磨され、層６０５ｂを除去し、層６１５’及び導電性パッド６１２の上面を研磨して複合分離層６１４と共に集積パッド６１２を形成する。図８ＨＨに示されるように、これらの層は融着又は陽極接合され、埋設された分離層６１４を形成する。最後に、上面及び下面が研削及び研磨されて第１のデバイス層６０２及びハンドル層６１０の目標厚さを実現する。
次に、カンチレバー・プローブを製造するための処理ステップに移ると、図９Ａ〜図９Ｎは、多層構造５００から始まるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）カンチレバー・プローブのバッチ製造するための一実施形態による例示的な工程を示す。図９Ａに示されるように、酸化層９０２ａ，９０２ｂが、多層構造５００の上面及び下面を覆って熱成長されている。次に、窒化物層９０４ａ，９０４ｂを作り出すためにＣＶＤ工程を用いて窒化物が堆積される。次に、図９Ｂでは、フォトレジストが上面を覆って施され、マスク９０６を作り出すためにパターン成形される。マスク９０６は、プローブ先端の形成時に次のステップで使用される。
次に、図９Ｃでは、層９０４ａ，９０２ａは、フォトレジスト９０６によりマスクされた材料を除いて窒化物及び酸化物の材料の全部を除去するドライ・エッチ法を用いて選択エッチングされる。これは、構造９０８ａ，９１０ａを残す。次に、図９Ｄに示されるように、フォトレジスト９０６は取り除かれ、シリコン層５０２が、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）又は水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ：ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）などの酸化物よりもずっと高い速度でシリコンを侵食する化学物質を用いて異方性エッチングされる。この結果が、第２のデバイス層５０６又はハンドル層５１０に影響を及ぼすことなく第１のデバイス層５０２から形成された尖った先端構造９２２である。したがって、図９Ｅに示されるように、酸化物９２４は、先端を尖らせる先端構造の上に熱成長される。
次に、９０度回転した同じ構造の断面図である図９Ｆ及び図９Ｇに示されるように、フォトレジスト・マスク９１６が、カンチレバー・アームのパターン成形中に先端９２２及び層５０４，５０６の一部を保護するために施される。特に、それがリリースされる前に、カンチレバー・アームがパターン成形される。言い換えれば、ハンドル層５１０は、このステージでカンチレバー・アームをまだ支持し、カンチレバー・パターン成形工程を受けるより強固な構造を作製する。図９Ｈは、ショルダ部９３０、ネック部９３２、パドル・フェース部９３４、及び先端９３６を含むカンチレバー・パターンを示す上面図である。
次に、図９Ｉに示されるように、窒化物保護層９４０が酸化された先端構造の上に施され、裏面リソグラフィ工程９４２が層９０２ｂ，９０４ｂの一部を除去するために実行される。層９０２ｂ，９０４ｂの残りの材料は、図９Ｊに示されるようにカンチレバー・アームをリリースするまで次のハンドル層５１０のエッチング９４４の間にマスクとして働く。次に、図９Ｋに示されるように、窒化物層９４０，９０４ｂは、例えば、リン酸（Ｈ２ＰＯ４）などの適切な腐食液を用いて、９４６で選択エッチングされる。酸化層５０４，５０８は、この腐食液から内側窒化物（第２のデバイス）層５０６を保護するためにエッチ・ストップとして働く。
図９Ｌに示されるように、露出した酸化層５０４，５０８は、例えば、フッ化水素酸などの同じ速度でシリコン又は窒化物を侵食しない適切な腐食液を用いて、９４８で除去される。残りの構造は、残りのハンドル層５１０’と、酸化層５０８の保護された及び除去されていない部分５０８’と、先端９２２真下の酸化層５０４の除去されていない部分５０４’とを含む。
図９Ｍは、結果として得られた構造及びパターン成形されたカンチレバー・アームを示す上面図である。ハンドル９５０は、シリコンの大きいブロックである。カンチレバー・アームは、ハンドル９５０の周囲を越えて遠位方向に量Ａだけ突出するショルダ部９５２を有すると共に、カンチレバー・ネック部９５４の幅をはるかに上回る幅Ｂを有する。したがって、（そのバネ定数が関わっている限り）有効なカンチレバー・アームは、ネック部９５４及びパドル面９５６で構成され、その上にプローブ先端９５８が位置している。ネック部９５４は狭く、より感度のよいカンチレバーを与える。パドル面９５６が、必要な場合、ＳＰＭ機器中のレーザ・システム用の目標を与えるのに役立つ。さもなければ、パドル面９５６は、さらにより高速なカンチレバー設計の場合には省略されてもよい。最後に、図９Ｎに示されるように、金属膜９６０は、必要であれば光反射率を高めるために下面側に堆積される。
次に、図１０Ａ〜図１０Ｏに移ると、本明細書中で見えるプローブ先端とも呼ばれるカンチレバー・アームの遠位端に揃えられる自己整合式プローブ先端を有するＳＯＩカンチレバー・プローブを形成するバッチ処理が、関連した実施形態により説明される。図１０Ａを参照すると、この工程は、多層構造５００から始まる。この工程はその後に下側酸化層９０２ｂを有しつつ上酸化層９０２ａの選択除去が続くことを除いて、前述したように、酸化物が熱工程を用いて成長されて酸化層９０２ａ，９０２ｂを作り出す。次に、窒化物層９０４ａ，９０４ｂが、ＬＰＣＶＤを用いて堆積される。
図１０Ｂ−１及び図１０Ｂ−２は、それぞれ、図示のようにフォトレジスト層１００２が施されてパターン成形されるフォトリソグラフィの次の処理ステップの断面図及び上面図を示す。代わりに、様々な他のカンチレバー・アームの外形が使用されてもよく、この場合には、それに応じてパターン成形が変わることになる。例えば、上記のパドル形状（又はその変形例）は、関連実施形態に用いることができる。
図１０Ｃ−１及び図１０Ｃ−２にそれぞれ断面図及び上面図で示されるように、フォトレジスト１００２は、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ：ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈ）法を用いて窒化物層９０４ａをエッチングしてパターン成形された窒化物層９０４ａ’にするためのマスクとして働く。図１０Ｄ−１及び図１０Ｄ−２は、ＤＲＩＥなどの高いアスペクト比のドライ・エッチを用いた第１のデバイス層５０２を通じてのエッチングの次のステップを示す。これにより層５０２における残りの材料の周囲に沿った垂直面１０２０を作り出す。
図１０Ｅは、酸化層５０４及び窒化物層５０６ａがＲＩＥ法を用いて取り除かれる次の動作を示す。このＲＩＥ法は自動停止がなく、そのため酸化層５０８の一部又は全部及びハンドル層５１０の一部がＲＩＥにより取り除かれ得ることがこの動作に付随して起こる。しかし、ハンドル層５１０及び酸化層５０８のこれらの部分は、最終的に続く処理により除去されるので、これらの付随的な事柄は、このステージにおけるインプラントではない。
次に、図１０Ｆに示されるように、フォトレジスト１００２は取り除かれ、垂直の酸化物１００４は、直交面１０２０に熱成長される。次に、図１０Ｇ−１及び図１０Ｇ−２に
断面図及び上面図で示されるように、窒化物層９０４ａ’ ，９０４ｂは選択エッチ工程
１００５を用いて除去され、上側の酸化物はパターン成形されて、カンチレバー・アームとなるもののかなり遠位端に直交面１０２０に沿って小さい部分を残す。
その後、図１０Ｈに示されるように、シリコン層５０２は、１００６で選択エッチされてプローブ先端１００８を形成する。プローブ先端１００８は、酸化層１００４が成長する直交面を備える。この直交面は、プローブ先端の頂点も含む。次に、図１０Ｉに示されるように、熱酸化物１０１０が、プローブ先端１００８の他方の表面に成長される。その後、図１０Ｊに示されるように、ＬＰＣＶＤ窒化物層１０１２ａ，１０１２ｂは、上下に堆積される。次に、図１０Ｈに示されるように、下側の窒化物９０４ｂ及び酸化物９０２ｂは、フォトリソグラフィ工程１０１４を用いてパターン成形及びエッチされて、切除層９０２ｂ’ ，９０４ｂ’を作り出す。図１０Ｌは、エッチング・ハンドル５１０’のい
くつかの動作を表しており、次いで、窒化物層１０１２ａ，１０１２ｂ’を取り除き、酸化層９０２ｂ’、酸化層１０１０、酸化層５０４、及び酸化層１００４を取り除く。最後に、図１０Ｍに示されるように、必要であれば、金属層９５０が施される。図１０Ｎは、カンチレバー・アームの自由端に見えるプローブ先端１００８を示す斜視図である。図１０Ｏは、１１．５ミクロンの高さを有する上記の工程を用いて形成された実際に見える先端を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の像である。
次に、図１１Ａ〜図１１Ｌに移ると、一実施形態による、とても薄いシリコンのカンチレバー・アーム及びシリコン・プローブ先端を有するカンチレバー・プローブを製造する動作を示す例示的なバッチ処理が記載されている。この工程は、多層構造６００ａから始まる。ＳＯＩプローブについての上記の各ステップと同様に、図１１Ａに示されるように、酸化層９０２ａ，９０２ｂは熱成長され、次いで窒化物層９０４ａ，９０４ｂが堆積される。図１１Ｂ〜図１１Ｃは、フォトレジスト９０６を用いてシリコン・プローブ先端を形成し、マスク９０８ａ，９１０ａを形成する先端を形成するエッチ・マスクをパターン成形する動作を示す。図１１Ｄは、第１のデバイス層をエッチして先端９２２を形成する次の動作を示す。次に、図１１Ｅに示されるように、先端は熱酸化され、それによりさらに尖らせられる。
図１１Ｆ及び図１１Ｇは、フォトレジスト９１６を用いたカンチレバー・アームのパターン成形動作を示す。層６０４，６０６の一部ならびに先端をマスクするようにし、層６０４，６０６から無関係の材料を選択除去するようになっている。これらの動作は、この工程における内側層６０６がシリコンであることを除いて、ＳＯＩカンチレバー製造について行われたものと同様であり、したがって、シリコンに適した選択腐食液が、カンチレバー・アームをエッチングするために使用される。いくらかの実施形態による上記の例に示されるように、カンチレバーは、パドル状の外形を有するようにパターン成形することができる。
次に、図１１Ｈに示されるように、窒化物の保護層９４０は、上側を覆うように堆積され、フォトリソグラフィ１１４２は、裏側に実施されて、窒化物９０４ｂ及び酸化層９０２ｂの一部をそれぞれ取り去るようになっている。次に、図１１Ｉに示されるように、ハンドル層は、層９０２ｂ，９０４ｂの残りの部分をエッチ・マスクとして用いて取り外され、カンチレバー・アームがリリースされる。次に、図１１Ｊ及び図１１Ｋに示されるように、窒化物層９４０，９０４ｂは選択エッチ工程１１４６を用いて取り除かれ、酸化層９０２ｂ，９２４は選択エッチ１１４８を用いて取り除かれる。次に、図１１Ｌに示されるように、金属層１１５０が、必要に応じて堆積されてもよい。
図１２Ａ〜図１２Ｌは、一実施形態による、多層構造６００ｂから始まる導電性カンチレバー・プローブを形成する例示的なバッチ処理を示す。図１２Ａに示されるように、酸
化層９０２ａ，９０２ｂは熱成長され、窒化物層９０４ａ，９０４ｂは堆積される。図１２Ｂに示されるように、フォトレジスト９０６は、導電性パッド９１２の上に堆積される。これらは、完全に位置合わせされていなくてもよいが、十分な重なりがある限り、形成されるプローブ先端は、カンチレバー・アームに電気的に接続される。図１２Ｂ〜図１２Ｌは、この工程の残りの動作を示しており、これらは図１１Ｂ〜図１１Ｌの非導電性カンチレバー・プローブを形成する工程と同様である。したがって、図１２Ｂ〜図１２Ｄは、プローブ先端のマスキング及びエッチングを示し、図１２Ｅは、プローブ先端９２２を尖らせるための酸化物９２４の成長を示し、図１２Ｆ及び図１２Ｇは、フォトレジスト・マスク９１６及び選択エッチ動作１２０２を用いてカンチレバー・アームをパターン成形することを示す。図１２Ｈ〜図１２Ｉは、保護窒化物層９４０の堆積と、裏面の窒化物及び酸化層をエッチングするためにエッチ・マスクを用意するための裏面リソグラフィ１２４２と、ハンドルを形成すると共にカンチレバー・アームをリリースするためのエッチ動作１２４４とを示す。図１２Ｊに示されるように動作１２４６時、上窒化物層及び下窒化物層は、選択エッチを用いて取り除かれる。図１２Ｋに示された動作１２４８にて、残りの上側酸化層及び下側酸化層は取り除かれる。最後に、図１２Ｌにおいて、必要があれば、金属膜１２５０は裏側に堆積される。
特に、上述した工程は、複数のカンチレバー・プローブを同時に生産し、そのようなプローブを少ないユニット費用で大量生産を可能にする。同時に、この工程は、厳しい公差でとても小さい寸法を有する劇的に改善したカンチレバー・プローブをもたらすことができ、カンチレバー・プローブが、高度の可撓性（すなわち、低いバネ定数）を維持しつつ高い機械的共振点を有することにより、非常に高速のＳＰＭ装置と共に使用可能であり、それにより検査中の試料との相互作用の高感度を維持することを意味する。
これらのバッチ処理により生産されたカンチレバー・プローブのいくらかの実施形態は、製造されたバッチ内で均一性を支持する追加の特徴を有し、ハンドル層の厚さの変動による長さの変化を解決するカンチレバー・アーム・デバイス層から形成されたショルダ部の使用を含む。また、ある種の関連した実施形態は、感度増加のために大変狭いネック部の形成を可能にするカンチレバー・アームの外形を含み、一方、カンチレバー・プローブの自由端の移動及び偏向を追跡するレーザ・システムによってより容易に標的にできるパドル面を提供する。
加えて、いくらかの実施形態によるカンチレバー・プローブは、カンチレバー・アームの遠位端に整合して位置するその頂点を有する見える先端を含むことができる。
発明概念の概要
発明概念の以下の概要では、組み合わせが互いに矛盾していない限り、２つ以上の発明概念のそのような様々な組み合わせで組み合わせ可能であることを理解されたい。
発明概念１． 走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）カンチレバーの製造に使用される多層構造を構築する方法であって、
第１の基板及び第２の基板を用意する工程と、
第１の分離層及び第２の分離層を用意する工程であって、第１の分離層及び第１の基板は差別的にエッチング可能であり、第２の分離層及び第２の基板は差別的にエッチング可能である工程と、
第１の分離層と第２の分離層の間に位置するように、第１の分離層及び第２の分離層に対して差別的にエッチング可能な内側層を用意する工程と、
内側層が、第１の分離層及び第２の分離層によりそれぞれ第１の基板及び第２の基板から隔てられるように、第１の分離層と第２の分離層の間に内側層を位置させることを含む多層構造を組み立てる工程と
を含む多層構造を構築する方法。
発明概念２． 第１の基板及び第２の基板を用意する工程では、第１の基板及び第２の基
板がシリコンからそれぞれ形成される、発明概念１に記載の方法。
発明概念３． 第２の分離層を用意する工程は、第２の基板の表面上に第２の分離層を形成する工程を含む、発明概念１に記載の方法。
発明概念４． 第２の基板の表面上に第２の分離層を形成する工程は、酸化物の層を成長させる工程を含む、発明概念３に記載の方法。
発明概念５． 第１の分離層を用意する工程は、第１の基板の表面上の第１の分離層を形成する工程を含む、発明概念１に記載の方法。
発明概念６． 第１の分離層を用意する工程は、内側層の表面上に第１の分離層を形成する工程を含む、発明概念１に記載の方法。
発明概念７． 第１の分離層を用意する工程は、酸化物の層を成長させる工程を含む、発明概念１に記載の方法。
発明概念８． 内側層を用意する工程が、第１の分離層又は第２の分離層の少なくとも１つの上に窒化シリコンの薄膜を堆積させる工程を含む、発明概念１に記載の方法。
発明概念９． 窒化シリコンの薄膜を堆積させる工程では、低圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）法が使用される、発明概念８に記載の方法。
発明概念１０． 多層構造を組み立てる工程は、少なくとも２つの拡散接合動作を含む、発明概念１に記載の方法。
発明概念１１． 内側層を用意する工程は、３０ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有するシリコンの層を形成する工程を含む、発明概念１に記載の方法。
発明概念１２． 内側層を用意する工程は、２０ｎｍと２００ｎｍの間の厚さを有するシリコンの層を形成する工程を含む、発明概念１に記載の方法。
発明概念１３． 内側層を用意する工程は、３０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有するシリコンの層を形成する工程を含む、発明概念１に記載の方法。
発明概念１４． 多層構造を組み立てる工程は、ウェハ規模動作を行う工程を含み、多層構造がウェハ規模構造である、発明概念１に記載の方法。
発明概念１５． 多層構造を組み立てる工程の前に、第１の基板と内側層の間に位置する１組の導電性パッドを形成する工程であって、導電性パッドの各１つが、第１の基板から形成される対応するプローブ先端と内側層から形成される対応するカンチレバー・アームとの間の電気接続を与えるように配置される１組の導電性パッドを形成する工程
をさらに含む、発明概念１に記載の方法。
発明概念１６． 導電性パッドを形成する工程は、内側層の表面及び第１の基板の表面の少なくとも１つの上に導電性材料をパターン成形する工程を含む、発明概念１５に記載の方法。
発明概念１７． 多層構造を組み立てる工程の後、第１の分離層から離れるように向いている鋭い点を有するプローブ先端構造を形成するように、第１の基板から材料を選択的に除去する工程
をさらに含む、発明概念１に記載の方法。
発明概念１８． 多層構造を組み立てる工程の後、第１の基板の一部を除去し、多層構造の層に直交して向けられている第１の基板の直交面を露出させるように高いアスペクト比の異方性エッチングを実行する工程と、
露出した直交面の上に直交保護層を形成する工程と、
第１の分離層から離れるように向いている鋭い点を有するプローブ先端構造を形成するように等方性エッチングを用いて第１の基板から追加の材料を選択的に除去する工程であって、直交保護層が等方性エッチング中に直交面を保存する、選択的に除去する工程と、
その後、プローブ先端構造の頂点を含む第１の基板の直交面を露出するように直交保護層を除去する工程と、
をさらに含む、発明概念１に記載の方法。
発明概念１９． 多層構造を組み立てる工程の後、内側層の両側の部分を露出させるように第１の基板、第１の分離層、第２の基板、及び第２の分離層から材料を選択的に除去する工程
をさらに含む、発明概念１に記載の方法。
発明概念２０． 多層構造を組み立てた後に、
内側層の第１の表面とは反対の第２の表面の別の層との接合を維持しつつ内側層の第１の表面を露出させるように第１の基板及び第１の分離層から材料を選択的に除去する工程と、
その後、内側層の一部を除去して、そこからカンチレバー・アームを形成する工程と、
その後、内側層の第２の表面を露出させるように第２の基板及び第２の分離層から材料を選択的に除去し、それによりカンチレバー・アームをリリースする工程と、
をさらに含む、発明概念１に記載の方法。
発明概念２１． （ａ）上基板、下基板、内側層、上基板と内側層の間に位置する、第１の基板及び内側層に対して差別的にエッチング可能な第１の分離層、及び下基板と内側層の間に位置する、第２の基板及び内側層に対して差別的にエッチング可能な第２の分離層からなる多層構造を得る工程と、
（ｂ）第１の分離層から離れるように向いている鋭い点を有するプローブ先端構造を形成すると共に第１の分離層の上面を露出させるように第１の基板から材料を選択的に除去する工程と、
（ｃ）（ｂ）の後に、内側層の上面を露出させるように第１の分離層から材料を選択的に除去する工程と、
（ｄ）第２の分離層の下面を露出させるように第２の基板から材料を選択的に除去する工程と、
（ｅ）（ｄ）の後に、内側層の下面を露出させるように第２の分離層から材料を選択的に除去する工程と、
（ｆ）内側層から材料を選択的に除去してそこからカンチレバー・アームをパターン成形する工程とからなる走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と共に使用されるカンチレバーを構築する方法。
発明概念２２． （ｆ）は、（ｃ）の後であるが（ｄ）の前に実行される、発明概念２１に記載の方法。
発明概念２３． （ｆ）は、（ｅ）の後であるが（ｂ）の前に実行される、発明概念２１に記載の方法。
発明概念２４． 材料を選択的に除去する工程は、他の層を実質的に影響を受けないままにしつつ選択エッチを受ける対応する材料を除去する差別する腐食液を適用する工程を含む、発明概念２１に記載の方法。
発明概念２５． （ａ）の多層構造を得る工程では、第１の基板及び第２の基板がシリコンからそれぞれ形成され、（ｂ）及び（ｄ）では、材料を選択的に除去する工程は、シリコンだけをエッチングすることを含む、発明概念２１に記載の方法。
発明概念２６． （ａ）の多層構造を得る工程では、第１の分離層及び第２の分離層は、酸化物からそれぞれ形成され、（ｃ）及び（ｄ）では、材料を選択的に除去する工程は、酸化物だけをエッチングすることを含む、発明概念２１に記載の方法。
発明概念２７． （ａ）の多層構造を得る工程では、内側層は、窒化物から形成され、（ｆ）では、材料を選択的に除去する工程は、窒化物だけをエッチングすることを含む、発明概念２１に記載の方法。
発明概念２８． （ａ）の多層構造を得る工程では、内側層は、シリコンから形成され、（ｆ）では、材料を選択的に除去する工程は、シリコンだけをエッチングすることを含む、発明概念２１に記載の方法。
発明概念２９． （ａ）の多層構造を得る工程では、第１の分離層は、導電性材料から形成された部分を含み、（ｂ）のプローブ先端構造を形成する工程は、導電性材料の上に位置する第１の基板材料のエッチングを防ぐことを含む、発明概念２１に記載の方法。
発明概念３０． 走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と共に使用するカンチレバー・プローブであって、
バルク半導体材料から形成されたベース部と、
ベース部の上に位置する近位端、及びベース部の周囲を越えて突出する遠位端を有するカンチレバー・アームと、
ベース部とカンチレバー・アームの近位端との間に位置する、カンチレバー・アーム及びベース部に対して差別的にエッチング可能な下分離層と、
カンチレバー・アームの遠位端の一部の上に位置するプローブ先端と、
プローブ先端とカンチレバー・アームの間に位置する、カンチレバー・アームに対して差別的にエッチング可能な上分離層と
からなるカンチレバー・プローブ。
発明概念３１． プローブ先端は、バルク半導体材料から形成される、発明概念３０に記載のカンチレバー・プローブ。
発明概念３２． プローブ先端は、カンチレバー・アームに直交して向けられた直交面を含むと共に、直交面に位置する頂点をさらに含む、発明概念３０に記載のカンチレバー・プローブ。
発明概念３３． 直交面は、カンチレバー・アームの遠位端に位置する、発明概念３２に記載のカンチレバー・プローブ。
発明概念３４． プローブ先端は、導電性材料から形成される、発明概念３０に記載のカンチレバー・プローブ。
発明概念３５． 上分離層は、プローブ先端に対して差別的にエッチング可能である、発明概念３０に記載のカンチレバー・プローブ。
発明概念３６． 上分離層の少なくとも一部は、導電性材料から形成される、発明概念３０に記載のカンチレバー・プローブ。
発明概念３７． 上分離層は、プローブ先端に融着される、発明概念３０に記載のカンチレバー・プローブ。
発明概念３８． 上分離層は、半導体材料の層に成長した酸化物から形成され、後でそこからプローブ先端が形成される、発明概念３０に記載のカンチレバー・プローブ。
発明概念３９． 上分離層は、半導体材料の層に成長した酸化物から形成され、後でそこからカンチレバー・アームが形成される、発明概念３０に記載のカンチレバー・プローブ。
発明概念４０． カンチレバー・アームは、半導体材料の単層を備える、発明概念３０に記載のカンチレバー・プローブ。
発明概念４１． カンチレバー・アームは、導電性材料から形成される、発明概念３０に記載のカンチレバー・プローブ。
発明概念４２． カンチレバー・アームは、低応力窒化膜の単層を含む、発明概念３０に記載のカンチレバー・プローブ。
発明概念４３． カンチレバー・アームは、３０ｎｍと３００ｎｍの間の厚さを有する、発明概念３０に記載のカンチレバー・プローブ。
発明概念４４． カンチレバー・アームは、５〜３０ミクロンの長さと、２〜１５ミクロンの最大幅とを有する、発明概念３０に記載のカンチレバー・プローブ。
発明概念４５． カンチレバー・アームは長さ寸法、幅寸法、及び厚さ寸法を有し、長さ寸法及び幅寸法により定められた基準面内で、カンチレバー・アームは、遠位端のフェース部と、フェース部とベース部の間の、フェース部より小さい幅寸法を有するネック部とを含むパドル外形を有する、発明概念３０に記載のカンチレバー・プローブ。
発明概念４６． カンチレバー・アームは長さ寸法、幅寸法、及び厚さ寸法を有し、長さ寸法及び幅寸法により定められた基準面内で、カンチレバー・アームは、ネック部と、ショルダ部とを含み、ショルダ部は、カンチレバー・アームの近位端に位置すると共にベース部の周囲を越えて遠位方向に突出し、ネック部は、ショルダ部よりも実質的に小さい幅寸法を有する、発明概念３０に記載のカンチレバー・プローブ。
発明概念４７． ベース部の周囲を越えて遠位方向に突出するネック部は、カンチレバー・アームのバネ定数にわずかな影響しかもたらさない、発明概念４６に記載のカンチレバー・プローブ。
発明概念４８． 走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と共に使用される同時に上に製造される部分的に形成されたカンチレバー・プローブのバッチを有するウェハであって、
次の動作でウェハからリリースされる複数のカンチレバー・プローブからなり、各カンチレバー・プローブが、
バルク半導体材料から形成されたベース部と、
ベース部の上に位置する近位端、及びベース部の周囲を越えて突出する遠位端、ならびに３０〜３００ｎｍの厚さを有するカンチレバー・アームと、
カンチレバー・アームの遠位端の一部の上に位置するシリコン・プローブ先端とを備え、
カンチレバー・アームは、０．１〜１Ｎ／ｍのバネ定数を有し、カンチレバー・アームと先端の組み合わせは、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの共振周波数を有するウェハ。
発明概念４９． 走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と共に使用されるカンチレバー・プローブの大量生産されたバッチであって、
複数のカンチレバー・プローブからなり、各カンチレバー・プローブが、
バルク半導体材料から形成されたベース部と、
ベース部の上に位置する近位端、及びベース部の周囲を越えて突出する遠位端、ならびに３０〜３００ｎｍの厚さを有するカンチレバー・アームと、
カンチレバー・アームの遠位端の一部の上に位置するシリコン・プローブ先端とを備え、
カンチレバー・プローブのバッチ内のカンチレバー・アームの厚さの分類されていないばらつきは＋／−５％であり、カンチレバー・プローブのバッチ内の生産歩留りは９０％より大きいバッチ。
発明概念５０． カンチレバー・アームは、シリコンから形成される、発明概念４９に記載のカンチレバー・プローブのバッチ。
発明概念５１． カンチレバー・アームは、シリコン窒化膜から形成される、発明概念４９に記載のカンチレバー・プローブのバッチ。
発明概念５２． プローブ先端は、カンチレバー・アームに直交して向けられた、カンチレバー・アームの遠位端に位置する直交面を含むと共に、直交面に位置する頂点をさらに含む、発明概念４９に記載のカンチレバー・プローブのバッチ。
発明概念５３． カンチレバー・アームは、５〜３０ミクロンの長さと、１〜１５ミクロンの最大幅とを有する、発明概念４９に記載のカンチレバー・プローブのバッチ。
発明概念５４． カンチレバー・アームは長さ寸法、幅寸法、及び厚さ寸法を有し、長さ寸法及び幅寸法により定められた基準面内で、カンチレバー・アームは、遠位端のフェース部と、フェース部とベース部の間の、フェース部より小さい幅寸法を有するネック部とを含むパドル外形を有する、発明概念４９に記載のカンチレバー・プローブのバッチ。
発明概念５５． カンチレバー・アームは長さ寸法、幅寸法、及び厚さ寸法を有し、長さ寸法及び幅寸法により定められた基準面内で、カンチレバー・アームは、ネック部と、ショルダ部とを含み、ショルダ部は、カンチレバー・アームの近位端に位置すると共にベース部の周囲を越えて遠位方向に突出し、ネック部は、ショルダ部よりも実質的に小さい幅寸法を有する、発明概念４９に記載のカンチレバー・プローブのバッチ。
発明概念５６． ハンドル部、カンチレバー・アーム、及びプローブ先端からそれぞれなるカンチレバー・プローブのバッチを同時に製造する工程であって、
バッチのカンチレバー・プローブごとのハンドル部のための材料を含む第１の層と、バッチのカンチレバー・プローブごとのカンチレバー・アームのための材料を含む第２の層と、バッチのカンチレバー・プローブごとのプローブ先端のための材料を含む第３の層とを含む多層複合ウェハを得ることと、
複数のカンチレバー・プローブの複数のカンチレバー先端を同時に形成するように、第１のセットのエッチ動作で第３の層から余分な材料を除去することと、
複数のカンチレバー・プローブの複数のカンチレバー・アームを同時に形成するように、第２のセットのエッチ動作で第２の層から余分な材料を除去することと、
複数のカンチレバー・プローブの複数のハンドル部を同時に形成するように、第３のセットのエッチ動作で第１の層から余分な材料を除去することと、
からなり、
第１の層、第２の層、及び第３の層の各々から余分な材料を除去することにより、長さが５〜３０ミクロンであり、幅が２〜１５ミクロンであり、厚さが３０〜３００ナノメートルである寸法を有する個々のカンチレバー・プローブを形成することになり、カンチレバー・アームの厚さは、第１、第２、及び第３の各エッチング動作の継続期間には依存しないカンチレバー・プローブのバッチを同時に製造する工程。
発明概念５７． カンチレバー・プローブのバッチを同時に製造する工程により生産される、ハンドル部と、カンチレバー・アームと、プローブ先端とからなるカンチレバー・プローブであって、上記工程が、
バッチのカンチレバー・プローブごとのハンドル部のための材料を含む第１の層と、バッチのカンチレバー・プローブごとのカンチレバー・アームのための材料を含む第２の層と、バッチのカンチレバー・プローブごとのプローブ先端のための材料を含む第３の層とを含む多層複合ウェハを得ることと、
複数のカンチレバー・プローブの複数のカンチレバー先端を同時に形成するように、第１のセットのエッチ動作で第３の層から余分な材料を除去することと、
複数のカンチレバー・プローブの複数のカンチレバー・アームを同時に形成するように、第２のセットのエッチ動作で第２の層から余分な材料を除去することと、
複数のカンチレバー・プローブの複数のハンドル部を同時に形成するように、第３のセットのエッチ動作で第１の層から余分な材料を除去することと、
からなり、
第１の層、第２の層、及び第３の層の各々から余分な材料を除去することにより、長さが５〜３０ミクロンであり、幅が２〜１５ミクロンであり、厚さが３０〜３００ナノメートルである寸法を有する個々のカンチレバー・プローブを形成することになり、カンチレバー・アームの厚さは、第１、第２、及び第３の各エッチング動作の継続期間には依存しないカンチレバー・プローブ。
発明概念５８． カンチレバー・プローブのバッチを同時に製造する工程により生産される、ハンドル部と、カンチレバー・アームと、プローブ先端とからなるカンチレバー・プローブであって、上記工程が、
バッチのカンチレバー・プローブごとのハンドル部のための材料を含む第１の層と、バッチのカンチレバー・プローブごとのカンチレバー・アームのための材料を含む第２の層と、バッチのカンチレバー・プローブごとのプローブ先端のための材料を含む第３の層とを含む多層複合ウェハを得ることと、
複数のカンチレバー・プローブの複数のカンチレバー先端を同時に形成するように、第１のセットのエッチ動作で第３の層から余分な材料を除去することと、
複数のカンチレバー・プローブの複数のカンチレバー・アームを同時に形成するように、第２のセットのエッチ動作で第２の層から余分な材料を除去することと、
複数のカンチレバー・プローブの複数のハンドル部を同時に形成するように、第３のセットのエッチ動作で第１の層から余分な材料を除去することと
からなり、
第１の層、第２の層、及び第３の層の各々から余分な材料を除去することにより、カンチレバー・アームが０．１〜１Ｎ／ｍのバネ定数を有し、カンチレバー・アームと先端の組み合わせは、１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの共振周波数を有する個々のカンチレバー・プローブを形成することになるカンチレバー・プローブ。
発明概念５９． カンチレバー・プローブのバッチを同時に製造する工程により生産される、ハンドル部と、カンチレバー・アームと、プローブ先端構造とからなるカンチレバー・プローブであって、上記工程が、
バッチのカンチレバー・プローブごとのプローブ先端構造のための材料を含む第１の層と、バッチのカンチレバー・プローブごとのカンチレバー・アームのための材料を含む第
２の層と、バッチのカンチレバー・プローブごとのハンドル部のための材料を含む第３の層とを備える多層複合構造を得ることからなり、
バッチのカンチレバー・プローブごとに、
第１の層の一部を除去し、多層構造の層に直交して向けられている第１の層の直交面を露出させるように、高いアスペクト比の異方性エッチングを実行し、
露出した直交面の上に直交保護層を形成し、
第２の層から離れるように向いている鋭い点を有するプローブ先端構造を形成するように等方性エッチングを用いて第１の層から追加の材料を選択的に除去し、直交保護層が等方性エッチング中に直交面を保存し、
その後に、第１の層の直交面を露出させるように直交保護層を除去し、直交面は、プローブ先端構造の頂点を含む、カンチレバー・プローブ。
発明概念６０． ハンドル部と、ハンドル部の上に位置する近位端及びハンドル部の周囲を越えて突出する遠位端を有するカンチレバー・アームと、カンチレバー・アームの遠位端に近くに位置するプローブ先端構造とからなる改良されたカンチレバー・プローブであって、
カンチレバー・アームは、近位端と遠位端の間の長さ寸法、幅寸法、及び厚さ寸法を有し、長さ寸法及び幅寸法により定められた基準面内で、カンチレバー・アームは、遠位端のフェース部と、フェース部とベース部の間の、フェース部より小さい幅寸法を有するネック部とを含むパドル外形を有する改良されたカンチレバー・プローブ。
発明概念６１． ハンドル部と、ハンドル部の上に位置する近位端及びハンドル部の周囲を越えて突出する遠位端を有するカンチレバー・アームと、カンチレバー・アームの遠位端に近くに位置するプローブ先端構造とからなる改良されたカンチレバー・プローブであって、改良は、
カンチレバー・アームが近位端と遠位端の間の長さ寸法、幅寸法、及び厚さ寸法を有し、長さ寸法及び幅寸法により定められた基準面内で、カンチレバー・アームが、ネック部と、ショルダ部とを含み、ショルダ部が、カンチレバー・アームの近位端に位置すると共にベース部の周囲を越えて遠位方向に突出し、ネック部が、ショルダ部よりも実質的に小さい幅寸法を有する、改良されたカンチレバー・プローブ。
結論
上述した各実施形態及び各発明概念は、例示であり、限定であることは意図されない。追加の実施形態は特許請求の範囲内である。加えて、本発明の各態様は、特定の実施形態を参照して説明されてきたが、特許請求の範囲により定められるので、本発明の範囲から逸脱せずに形態及び細部の変更がなされ得ることを当業者は理解されよう。
当業者は、本発明は、上記の個々の実施形態に示されたものより少ない特徴をからなってもよいことを理解されよう。本明細書に記載の実施形態は、本発明の様々な特徴を得ることができるやり方の網羅的な表示であることを意味するものではない。したがって、実施形態及び発明概念は、相互に排他的な特徴の組み合わせではなく、むしろ、本発明は、当業者により理解されるように、相互に排他的でない限りにおいて、様々な個々の実施形態又は発明概念から選択される様々な個々の特徴の組み合わせからなり得る。

Claims (24)

  1. 走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）カンチレバーの製造に使用される多層構造を形成するための方法において、
    第１の基板及び第２の基板を設ける工程と、
    第１の分離層及び第２の分離層を設ける工程であって、前記第１の分離層及び前記第１の基板は差別的にエッチング可能であり、前記第２の分離層及び前記第２の基板は差別的にエッチング可能である、第１の分離層及び第２の分離層を設ける工程と、
    前記第１の分離層と前記第２の分離層の間に位置するように、前記第１の分離層及び前記第２の分離層に対して差別的にエッチング可能な内側層を設ける工程と、
    前記内側層が、前記第１の分離層及び前記第２の分離層によりそれぞれ前記第１の基板及び前記第２の基板から隔てられるように、前記第１の分離層と前記第２の分離層の間に前記内側層を位置させることを含む前記多層構造を組み立てる工程と
    を備える、方法。
  2. 第１の基板及び第２の基板を設ける工程では、前記第１の基板及び前記第２の基板がシリコンからそれぞれ形成される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記内側層を設ける工程が、前記第１の分離層又は前記第２の分離層の少なくとも１つの上に窒化シリコンの薄膜を堆積させる工程を含んでなる、請求項１に記載の方法。
  4. 前記内側層を設ける工程は、３０ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有するシリコンの層を形成する工程を含んでなる、請求項１に記載の方法。
  5. 前記内側層を設ける工程は、３０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有するシリコンの層を形成する工程を含んでなる、請求項１に記載の方法。
  6. 前記多層構造を前記組み立てる工程は、ウェハ規模動作を行う工程を含み、前記多層構造がウェハ規模構造である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 前記多層構造を組み立てる工程の前に、前記第１の基板と前記内側層の間に位置する１組の導電性パッドを形成する工程であって、前記導電性パッドの各１つが、前記第１の基板から形成される対応するプローブ先端と前記内側層から形成される対応するカンチレバー・アームとの間の電気接続を与えるように配置される１組の導電性パッドを形成する工程をさらに備える、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 前記多層構造を組み立てる工程の後、前記第１の基板の一部を除去し、前記多層構造の層に直交して向けられている前記第１の基板の直交面を露出させるように高いアスペクト比の異方性エッチングを実行する工程と、
    前記露出した直交面の上に直交保護層を形成する工程と、
    前記第１の分離層から離れるように向いている鋭い点を有するプローブ先端構造を形成するために等方性エッチングを用いて前記第１の基板から追加の材料を選択的に除去する工程であって、前記直交保護層が前記等方性エッチング中に前記直交面を保存する、前記第１の基板から追加の材料を選択的に除去する工程と、
    その後、前記プローブ先端構造の頂点を含む前記第１の基板の前記直交面を露出するように前記直交保護層を除去する工程と、
    をさらに備える、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
  9. 前記多層構造を組み立てた後に、
    前記内側層の前記第１の表面とは反対の第２の表面の別の層との接合を維持しつつ前
    記内側層の第１の表面を露出させるように前記第１の基板及び前記第１の分離層から材料を選択的に除去する工程と、
    その後、前記内側層の一部を除去して、そこからカンチレバー・アームを形成する工程と、
    その後、前記内側層の前記第２の表面を露出させるように前記第２の基板及び前記第２の分離層から材料を選択的に除去し、それにより前記カンチレバー・アームをリリースする工程と、
    をさらに備える、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
  10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法により構築される前記多層構造から形成した、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と共に使用するようになされたカンチレバー・プローブであって、
    バルク半導体材料から形成されたベース部と、
    前記ベース部の上に位置する近位端、及び前記ベース部の周囲を越えて突出する遠位端を有するカンチレバー・アームと、
    前記ベース部と前記カンチレバー・アームの近位端との間に位置する、前記カンチレバー・アーム及び前記ベース部に対して差別的にエッチング可能な下分離層と、
    前記カンチレバー・アームの遠位端の一部の上に位置するプローブ先端と、
    前記プローブ先端と前記カンチレバー・アームの間に位置する、前記カンチレバー・アームに対して差別的にエッチング可能な上分離層と
    からなるカンチレバー・プローブ。
  11. 前記プローブ先端は、バルク半導体材料から形成される、請求項１０に記載のカンチレバー・プローブ。
  12. 前記プローブ先端は、前記カンチレバー・アームに直交して向けられた直交面を含むと共に、前記直交面に位置する頂点をさらに有する、請求項１０又は１１に記載のカンチレバー・プローブ。
  13. 前記直交面は、前記カンチレバー・アームの前記遠位端に位置する、請求項１２に記載のカンチレバー・プローブ。
  14. 前記上分離層は、前記プローブ先端に対して差別的にエッチング可能である、請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載のカンチレバー・プローブ。
  15. 前記上分離層の少なくとも一部は、導電性材料から形成される、請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載のカンチレバー・プローブ。
  16. 前記上分離層は、前記プローブ先端に融着される、請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載のカンチレバー・プローブ。
  17. 前記上分離層は、半導体材料の層に成長した酸化物から形成され、後でそこから前記プローブ先端が形成される、請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載のカンチレバー・プローブ。
  18. 前記上分離層は、半導体材料の層に成長した酸化物から形成され、後でそこから前記カンチレバー・アームが形成される、請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載のカンチレバー・プローブ。
  19. 前記カンチレバー・アームは、半導体材料の単層を備える、請求項１０乃至１８のいず
    れか１項に記載のカンチレバー・プローブ。
  20. 前記カンチレバー・アームは、低応力窒化膜の単層を含む、請求項１０乃至１８のいずれか１項に記載のカンチレバー・プローブ。
  21. 前記カンチレバー・アームは、３０ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有する、請求項１０乃至２０のいずれか１項に記載のカンチレバー・プローブ。
  22. 前記カンチレバー・アームは、５〜３０ミクロンの長さと、２〜１５ミクロンの間の最大幅とを有する、請求項１０乃至２１のいずれか１項に記載のカンチレバー・プローブ。
  23. 前記カンチレバー・アームは長さ寸法、幅寸法、及び厚さ寸法を有し、前記長さ寸法及び前記幅寸法により定められた基準面内で、前記カンチレバー・アームは、前記遠位端のフェース部と、前記フェース部と前記ベース部の間の、前記フェース部より小さい幅寸法を有するネック部とを含むパドル外形を有する、請求項１０乃至２２のいずれか１項に記載のカンチレバー・プローブ。
  24. 前記カンチレバー・アームは長さ寸法、幅寸法、及び厚さ寸法を有し、前記長さ寸法及び前記幅寸法により定められた基準面内で、前記カンチレバー・アームは、ネック部と、ショルダ部とを含み、前記ショルダ部は、前記カンチレバー・アームの前記近位端に位置すると共に前記ベース部の周囲を越えて遠位方向に突出し、前記ネック部は、前記ショルダ部よりも実質的に小さい幅寸法を有する、請求項１０乃至２３のいずれか１項に記載のカンチレバー・プローブ。
JP2015529931A 2012-08-31 2013-08-27 走査型プローブ顕微鏡検査法用の小型カンチレバー・プローブ、及びその製造方法 Active JP6423343B2 (ja)

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