JP2624873B2 - 原子間力顕微鏡用探針およびその製造方法 - Google Patents

原子間力顕微鏡用探針およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、カンチレバーの自由端側の尖端部を探針と
して用いた原子間力顕微鏡用探針及びその製造方法に関
するものである。
従来の技術 従来、固体表面を原子オーダで観察できる顕微鏡とし
て走査型トンネル顕微鏡（以後STMと呼ぶ）が開発され
ている。しかし、STMは試料と探針間のトンネル電流を
検出して試料表面を観察するため、絶縁体表面は観察不
可能であった。この問題を解決するために試料と探針間
に働く原子間力を検出して試料表面を観察しようとする
原子間力顕微鏡（以後AFMと呼ぶ）が提案されている。
このAFMの分解能はSTMと同様に探針先端部の曲率半径に
大きく依存し、曲率半径が小さいほど分解能は上がる。
AFMでは微少な力を検出するために第７図に示すような
カンチレバー25が必要であり、その先端部に探針26を設
けなくてはならない。従来、この探針としては、カンチ
レバー先端部分を探針として併用したもの、結晶のエッ
チピットを鋳型として利用し作製したもの、異方性エッ
チングにより作製したもの等が使用され、先端部の曲率
半径が300A程度のものも得られている。
発明が解決しようとする課題 AFM用探針は上記のような種々の手法によって作製さ
れているにもかかわらず、それぞれに課題を残してい
る。カンチレバー先端部分を探針として利用する場合に
は、カンチレバーと探針間の密着性に関する問題はな
く、製造工程も比較的簡単であるが、ホトリソグラフィ
の精度で先端曲率半径が決まりるため、通常のホトエッ
チング技術では数1000A程度が限界であり、顕微鏡とし
ての分解能は低くなる。これ以下の曲率半径の微細加工
にはFIB等のマスクレスエッチング技術が必要となる
が、製造工程が複雑化するとともに、コスト面の課題も
生じてくる。結晶のエッチピットを鋳型として作製した
探針は、曲率半径を比較的小さくできるが、工程が複雑
となり、また探針とカンチレバーの密着性が悪いため、
振動モードでの観測が困難であるという課題が生じてい
た。
さらに異方性エッチングを利用した作製方法はエッチ
ング時の種々のパラメータにかなり敏感で探針形状の再
現性に乏しいという課題が生じていた。
そこで、本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたも
のであり、微小曲率半径の先端部を有する原子間力顕微
鏡用探針及びその製造方法を提供することを目的として
いる。
課題を解決するための手段 基板表面に探針材料を成膜し、前記探針材料表面に探
針材料と異なる材料を用いて、ホトエッチング技術によ
り尖端部を有する形状の薄膜を形成し、前記薄膜をレジ
スト膜として等方性エッチング技術を用いて、エッチン
グ深さが、少なくともレジスト膜尖端部の曲率半径以上
となるように探針材料をエッチングすることで、0.1μ
ｍ以下の曲率半径の尖端部を有するカンチレバーを形成
し、カンチレバーの一方の主面の尖端部を探針として使
用する。
作用 本発明においては、レジスト膜として用いる薄膜の尖
端部分は従来の微細加工技術により形成されるため、曲
率半径は0.1μｍ以上である。等方性エッチング技術を
用いると、レジスト膜下部の探針材料薄膜は、レジスト
膜尖端部の両側からエッチングされるため、エッチング
深さが少なくともレジスト膜尖端部の曲率半径以上とな
るようにエッチングすれば、レジスト膜下部に形成され
たカンチレバーの少なくとも上面の尖端部分は、非常に
微小な曲率半径となり、さらにエッチングをすること
で、下面の尖端部分も非常に微少な曲率半径になる。従
って、このカンチレバーの一方の主面の尖端部を探針と
して使用すれば、FIB等のサブミクロンオーダの微細加
工技術を用いなくとも、従来のホトエッチング技術を用
いて、0.1μｍ以下の曲率半径を有する探針が形成さ
れ、分解能の高い原子間力顕微鏡が得られる。さらにカ
ンチレバー尖端部を探針として利用しているため探針と
カンチレバーが一体化され、探針とカンチレバー間の密
着性の問題も解決できる。
実施例 以下に、本発明に係る原子間力顕微鏡用探針及びその
製造方法の一実施例について図面を参照しながら説明す
る。
第１図に本発明の一実施例の原子間力顕微鏡用探針１
およびカンチレバー２の概略図を示す。第１図に於て、
一方が基材３に固定された平板状のカンチレバー２は、
自由端側のカンチレバー２の上下２面にある尖端部４の
内、突出した方の主面の尖端部を探針１として使用して
いる。第２図に原子間力顕微鏡の観測時の配置図を示
す。第２図に於て、カンチレバー２は観測試料６に対し
て角度20度程度の面を形成している。試料表面７の充分
近くに探針１が存在すれば、試料表面７の原子と探針１
の原子の間に力が発生し、カンチレバー２がたわむ。こ
のたわみを適当な方法で検出することで試料表面の観測
が可能となる。
本実施例で用いた原子間力顕微鏡用探針の製造プロセ
スを第３図（ａ）〜（ｃ）に示す。Si基板８の表面に探
針（カンチレバー）材料として熱酸化により厚さ１〜２
μｍのSiO2膜９を形成後、このSiO2膜９の表面にレジス
ト膜として厚さ0.1μｍのWSi2膜10を成膜する。このWSi
2膜10を通常のホトエッチング技術によって尖端部11を
有する形状に加工する（第３図（ａ））。形成されたWS
i2膜（レジスト膜）の尖端部11の曲率半径は0.5μｍ程
度である。次にこの基板をバッファエッチ溶液（HF1容
とNH4F6容の混合液）に浸漬してWSi2膜10をレジスト膜
としてSiO2膜９を充分な時間をかけて、等方性エッチン
グする。SiO2膜９は、WSi2膜10尖端部の両側からエッチ
ングされるため、エッチング深さが少なくともWSi2膜10
尖端部の曲率半径以上となるようにエッチングすれば、
WSi2膜10下部に形成されたSiO2膜９の少なくとも上面の
尖端部分は、非常に微小な曲率半径となり、更にエッチ
ングをすることによって、下面の尖端部分も非常に微小
な曲率半径になる。このように、WSi2膜10の尖端部下部
に微小曲率半径の尖端部12を有するSiO2膜９を形成する
（第３図（ｂ））。本実施例では300A程度の曲率半径の
尖端部が形成された。次にこの基板を希フッ硝酸に浸漬
して、WSi2膜10をエッチングにより取り除く。その後形
成されたカンチレバーに基材13を接着し、Si基板８をエ
ッチングして取り除くにことにより、カンチレバー２と
尖端曲率半径300Aの探針１を作製する（第３図
（ｃ））。
なお、探針材料とレジスト膜材料の組合せは、SiO2と
WSi2に限られるものではなく、探針材料としてはSi3N4
等が用いられ、レジスト膜は従来のホトレジスト材料で
も可能である。
また、本実施例では探針としてカンチレバーの突出し
た方の主面の尖端部を使用しているが、他方の主面の尖
端部を探針として用いても充分微小な曲率半径と高い分
解能を得ることができる。この場合には、Si基板として
単結晶Siを用いれば、カンチレバーの基材を、異方性エ
ッチングによりSi基板の一部を利用して、直接作製する
ことが可能となりプロセスがさらに簡略化される。
次に、他の実施例を説明する。
第４図に他の実施例の原子間力顕微鏡用探針14および
カンチレバー15の概略図を示す。探針部分はカンチレバ
ーに対して角度55度の面を形成している。
本実施例で用いた原子間力顕微鏡用探針の製造プロセ
スを第５図（ａ）〜（ｃ）に示す。異方性エッチング技
術によってこのSi単結晶基板16にSi〈111〉面の傾斜面1
7を形成する（第５図（ａ））。形成された〈111〉面は
〈100〉面18に対し55度の角度を成す。この時、傾斜面
の傾斜角は他の形成方法によっても制御することができ
る。例えば、スパッタエッチングによれば、急峻な傾斜
が得られ、湿式ではエッチング速度によってサイドエッ
チング量が変化することから、容易に傾斜を変化させる
ことができる。この表面に探針（カンチレバー）材料と
して熱酸化により厚さ１〜２μｍのSiO2膜19を形成後、
このSiO2膜19の表面に厚さ0.1μｍのWSi2膜20（レジス
ト膜）を成膜する。このWSi2膜20を通常のホトエッチン
グ技術によって少なくとも尖端部21が傾斜面上にくるよ
うに加工する（第５図（ｂ））。以下最初に説明した一
実施例で用いたプロセスでカンチレバー22に対し55度の
角度をなす尖端曲率半径300Aの探針23を形成した（第５
図（ｃ））。探針のカンチレバーに対する傾斜角が45〜
90度では、突出した方の主面の尖端部が探針として使用
でき、０〜45度では他方の主面の先端部の方が通常試料
表面に近くなるので探針として使用できる。
なお、探針材料とレジスト膜材料の組合せは、最初に
説明した一実施例で示した材料の組合せが可能である。
また、本実施例ではカンチレバーをSi基板凹部の〈10
0〉面（底面）を利用して作製したが、凸部の〈100〉面
（頂面）を利用しても作製できる。この場合には、第６
図に示すように傾斜角０〜90度において突出した方の主
面の尖端部24を探針として使用できる。
発明の効果 本発明によれば、FIB等のサブミクロンオーダの微細
加工技術を用いなくとも、従来のホトエッチング技術を
用いて、0.1μｍ以下の尖端曲率半径を有し、またカン
チレバーとの密着性も良好な原子間力顕微鏡用探針を形
成することが可能となり、信頼性が高く、分解能が非常
に大きく試料表面を原子オーダで観察可能な原子間力顕
微鏡が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例における原子間力顕微鏡用探
針の概略を示す斜視図、第２図はその原子間力顕微鏡用
探針および試料の配置を示す側面図、第３図は上記実施
例における探針製造プロセスを説明するための工程図、
第４図は本発明の他の実施例における原子間力顕微鏡用
探針の概略を示す斜視図、第５図は上記他の実施例にお
ける探針製造プロセスを説明するための工程図、第６図
は上記他の実施例における他の製造方法による原子間力
顕微鏡用探針の概略斜視図、第７図は従来の原子間力顕
微鏡用カンチレバーおよび探針の斜視図である。 １、14、23、26……探針、２、15、22、25……カンチレ
バー、４、12、24……SiO2膜（探針材料）尖端部、８、
16……Si基板、９、19……SiO2膜（探針材料）、10、20
……レジスト膜、11、21……レジスト膜尖端部。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】試料表面と探針間に働く原子間力により試
    料表面を観察する原子間力顕微鏡用探針において、カン
    チレバーは、一端が固定され他端が尖端部を有する平板
    形状を有しており、前記カンチレバーの一方の主面の尖
    端部は探針として利用され、前記尖端部が0.1μｍ以下
    の曲率半径を有し、一方の主面の尖端部が他方の主面の
    尖端部より突出した形状に形成されていることを特徴と
    する原子間力顕微鏡用探針。
  2. 【請求項２】一端が固定されている前記カンチレバーの
    他端が尖端部を有し、少なくとも前記尖端部近傍部の主
    面と前記固定端近傍部の主面とのなす角が０〜90度であ
    ることを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡用探
    針。
  3. 【請求項３】基板の表面に前記基板とは異なる材料から
    なる原子間力顕微鏡用探針材料を成膜し、前記探針材料
    表面に前記探針材料と異なる材料で尖端部を有する形状
    のレジスト薄膜を形成し、等方性エッチング技術を用い
    て、エッチング深さが少なくとも前記レジスト膜の尖端
    部の曲率半径以上となるように前記探針材料をエッチン
    グし、0.1μｍ以下の曲率半径を有し、かつ一方の主面
    より他方の主下面が突出した形状の尖端部を形成し、さ
    らに少なくとも形成された前記探針材料の尖端部上部の
    前記レジスト膜および下部の前記基板材料を除去するこ
    とを特徴とする原子間力顕微鏡用探針の製造方法。
  4. 【請求項４】基板の一部に角度０〜90度の傾斜面が形成
    され、前記探針尖端部が前記傾斜面に形成されることを
    特徴とする請求項３記載の原子間力顕微鏡用探針の製造
    方法。
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