JP2656536B2 - プローブおよびその製造方法 - Google Patents

プローブ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〕 本発明はプローブ及びその製造方法に関し、特に原子
間力顕微鏡のプローブとして用いるのに好適なプローブ
及びその製造方法に関する。
〔従来の技術〕
従来、原子間力検出プローブについては、ヨーロツパ
フイジイクス,レター3(1987)第1281頁から第1286頁
(Europhys.Lett.3(1987)PP1281〜1286)において論
じられている。
第2図は、従来の原子間力検出顕微鏡(AFM)の構成
を示す。一般に従来のトンネル顕微鏡(STM)では、第
2図のトンネリングチツプ3はサンプル2に直接作用す
る。すなわち、トンネリングチツプ3とサンプル2間の
トンネル電流が一定となるようにチツプ3にフイードバ
ツクし、チツプ3とサンプル2の距離を保持することに
よつて、サンプル2の表面形状が計測される。しかし、
STMでは、サンプル2が導体でなければならないという
制約があつた。原子間力検出顕微鏡は、STMの欠点を解
消するものである。第2図に示すプレート1の先端は、
原子間力をうけてプレート1がたわみ、先端部とサンプ
ルの距離は一定に保たれ、サンプル2の形状をトレース
することができる。プレート1に金属を蒸着しておけ
ば、サンプル2が導体でなくとも、トンネリングチツプ
3は、プレート間のトンネル電流を一定に保つて変位す
るようにフイードバツクされるのでプレート1を介し
て、サンプル2の形状を間接的にトレースすることにな
る。この場合、サンプル形状を精度よくトレースするた
めには、プレート1の先端部を鋭利に加工する必要があ
る。
しかしながら、従来の技術では、プレート先端のチツ
プを製造するのが困難なため、第2図(b)のように長
方形プレートの角部で代用したり、第2図(c)のよう
に三角形プレートの先端を用いるなどチツプの先端が鋭
利に加工されない状態で用いられている。従つて、第2
図(a)に示すように、プレート1は、被測定物に対し
て傾けて測定するなどの方法がとられている。このた
め、従来技術によるプレートを用いた場合には、表面凹
凸のアスペクト比が高い試料では忠実にその表面形状を
表わすことができないこと、また、プレート1がたわみ
をより感受しやすい力の方向は、プレート面の法線方向
であるのに対し、従来の方法では、これよりも多少ずれ
た方向となつている等の問題がある。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の技術では原子間力検出プレートを平面状にしか
製作できず、しかもその先端は十分に鋭利な針状チツプ
とはなつていない。このため、特に表面の凹凸のアスペ
クト比が高い試料り表面にプロービングするさいに、チ
ツプの鋭利さの不足に伴なう解像度の低下が避けられな
いという欠点があつた。
本発明の目的は、プレート先端に、プレート面の法線
方向又はそれに近い方向に鋭利な針状のチツプを一体で
形成したプローブおよびその製造方法を提供する。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的は、被測定物との間隔を一定に保ちながら前
記被測定物の形状をトレースする針状の凸部を有する板
状部材を備えたプローブを、前記針状の凸部と前記板状
部材とが同一材料で一体に形成することにより達成され
る。前記針状の凸部と前記板状部材とは酸化珪素または
窒化珪素で形成することが望ましく、前記針状の凸部は
前記板状部材に平行な面が四角形である四角錐形状であ
ることが望ましい。
また、上記目的は、被測定物との間隔を一定に保ちな
がら前記被測定物の形状をトレースする針状の凸部を有
する板状部材を備えたプローブの製造方法において、次
の工程を有することにより達成される。
(a)シリコン基板の一方の面に、この面に四角形の開
口部を有し側面がこのシリコン基板の{111}結晶面で
構成された四角錐状の凹部を形成する工程。
(b)前記シリコン基板の前記四角錐状の凹部を形成し
た面および前記四角錐状の凹部の側面にシリコン酸化膜
を形成する工程。
(c)前記シリコン酸化膜を所望の形状にパターニング
する工程。
(d)前記パターニングしたシリコン酸化膜から前記シ
リコン基板を除去することにより前記シリコン酸化膜で
形成された針状の凸部を有する板状部材を形成する工
程。
〔作用〕
本発明によれば、プレート面に形成した十分に鋭利な
針状のチツプを有しているので、例えばチツプの先端の
原子が、表面原子との間で原子力を受けるので、プレー
ト部は発生した原子間力を感受してたわみ、正確にチツ
プの先端の原子の受ける力を検出することができる。ま
た、この場合チツプの先端をプレート面から突出して設
けることによつて原子間力を感受する性能を向上させる
ことができる。これらの結果、チツプ先端以外の場所の
原子が被測定物の表面原子との間で力を及ぼし合うこと
が極めて少なくなるので、AFMのように一定の力を保ち
つつ表面形状を測定する場合に試料表面内に位置誤差な
く、表面形状あるいは力分布等を正確に測定することが
できる。
〔実施例〕
次に本発明のプローブを実施例に基づき説明する。第
1図は、熱酸化膜(SiO2)から成り、先端に突出した鋭
利な針を有するプローブを示す。すなわち第1図(a)
は、プレート部1の先端に、プレート面外に突出した構
造のチツプ5を有するAFMプローブを示し、第1図
(b),(c)はそれぞれ、四角錐状,円錐状のチツプ
5を有するAFMプローブを示す。第1図に示したプロー
ブはいずれもプレート1の部分で原子間力を受けてたわ
む構造となつている。本構造のように、プレート面外に
突出した針状チツプ5を形成することにより、感度の高
いAFMプローブとなつている。
第3図にはもう一つのプローブの形状を示す。本構造
の場合は、回転軸6を支点として、構造全体が回転する
機構を有している。このため、針状チツプ5が原子間力
をうけた時にプレート1は、たわむことなく、回転軸6
を中心として回転する構造となる。また、STMの針部3
はプレート後部1′の変位に追従して一定の距離を保つ
ことによつてサンプルの形状を精度良くトレースするこ
とができる。トンネリングチツプ3とプレート1′の距
離を一定に保つ方法としては、トンネル電流を検出し
て、その値を一定に保つように、ピエゾ素子等でトンネ
リングチツプ3を変位させる方法が考えられる。なお、
第3図に示す構造のプローブであれば、プレート部1と
1′の長さ比を変化させることによつて微細な形状を拡
大としてトレースすることも可能である。
なおプローブの動きを測定する方法として、上述のト
ンネリングチツプを用いる手段の他に、該プレート1′
に対向して平板電極を設け、その間の静電容量の変化を
検出する方法や、該プレート1′にレーザ光を斜めに入
射させて、その反射光の角度変化をみる方法が考えられ
る。
次に、上述の代表的なプローブの製造方法について述
べる。第4図は、第1図(b)に示すプローブの製造方
法の説明図である。初めに、Siウエハ7に酸化膜8を形
成する。(第4図(a))。ついで、その片面にフオト
レジスト9を形成する(第4図(b))。次に露光装置
によつて露光、現像を行い四角パターン10を形成する
(第4図(c))。さらに、レジスト9をマスクとし
て、フツ酸およびフツ化アンモニウム溶液の混合液を用
いて酸化膜にパターン11を形成し、レジストを除去する
(第4図(d))。次に、酸化膜8をマスクとして、KO
H等のアルカリ系水溶液によつて異方性エツチングする
ことにより、{111}系の面12から成る凹部を生じる
(第4図(e))。その後、上部の酸化膜を除去し、再
度全面に酸化膜を形成する(第4図(f))。次に、同
様の工程を経て上部の酸化膜に、第4図の(g),
(g′)に示すパターン8′を形成する。さらに上部の
酸化膜にガラス等の基板13を接着し、(第4図
(h))、シリコン基板7をKOH水溶液で除去すること
によつて所望の形状のプローブを得る(第5図
(i))。
最後に、トンネル電流を検出するために、原子間力検
出プレートの上面に、Au等の金属を蒸着して導電性を付
与し、実用に供するAFM用プローブが完成する。
上記実施例では、第1図(b)に示すプローブの製造
方法について示したが、第1図(a)のプローブについ
ても同様の方法で製造可能である。一方、第1図(c)
のプローブは、第4図(c),(d)で形成するパター
ン11を円形とし、次いでCF4等のガス中でドライエツチ
ングを行うことにより、針状の深みぞを形成できる。次
いで酸化膜を形成し、第4図(g)以降と同様のプロセ
スを経ることによつて第1図(c)のプローブを得るこ
とができる。なお、第3図に示すプローブでは、第1図
(a)と同様のプロセスで形成可能である。
なお実施例では、第1図および第3図に示す構造のプ
ローブを作るために、第4図でSiO2をマスクとしたが、
これはSi3N4で代用することも可能である。
これらの原子間力検出プローブに導電性をもたせて原
子間力による表面形状測定とともに電子分光等の電気計
測を行うこともできる。また、以上の構造物・構成を用
いた類似装置も本発明の範囲である。
〔発明の効果〕
以上の実施例から明らかなように、本発明のプローブ
は高精度の鋭利な突起部と適度のたわみを生じるプレー
ト部からなるプローブを形成できる。この結果、プレー
ト先端のチツプは被測定物の表面形状を忠実にトレース
し、分解能が高く高精度の形状測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を示すSiO2で形成されたプロー
ブの概観図、第2図は従来の原子間力検出顕微鏡(AF
M)を示す構成図、第3図は本発明の他の実施例を示すS
iO2から成り、原子間力をうけて回転する構造のプロー
ブの概観図、第4図は本発明のプローブの製造方法の実
施例を示すための断面図である。 1……プレート、5……針状チツプ、6……回転軸。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河村 喜雄 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 細木 茂行 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−309802(JP,A) 特開 昭62−156502(JP,A) 特開 昭62−130302(JP,A)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被測定物との間隔を一定に保ちながら前記
    被測定物の形状をトレースする針状の凸部を有する板状
    部材を備えたプローブであって、前記針状の凸部の前記
    板状部材とが同一材料で一体に形成されていることを特
    徴とするプローブ。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記針状の凸部と前記
    板状部材とが酸化珪素または窒化珪素で形成されている
    ことを特徴とするプローブ。
  3. 【請求項3】請求項1または2において、前記針状の凸
    部は前記板状部材に平行な面が四角形である四角錐形状
    であることを特徴とするプローブ。
  4. 【請求項4】請求項1乃至3のいずれか一つに記載のプ
    ローブを備えたことを特徴とする原子間力顕微鏡。
  5. 【請求項5】被測定物との間隔を一定に保ちながら前記
    被測定物の形状をトレースする針状の凸部を有する板状
    部材を備えたプローブの製造方法において、次の工程を
    有することを特徴とする。 (1)シリコン基板の一方の面に、この面に四角形の開
    口部を有し側面がこのシリコン基板の{111}結晶面で
    構成された四角錐状の凹部を形成する工程。 (2)前記シリコン基板の前記四角錐状の凹部を形成し
    た面および前記四角錐状の凹部の側面にシリコン酸化膜
    を形成する工程。 (3)前記シリコン酸化膜を所望の形状にパターニング
    する工程。 (4)前記パターニングしたシリコン酸化膜から前記シ
    リコン基板を除去することにより前記シリコン酸化膜で
    形成された針状の凸部を有する板状部材を形成する工
    程。
  6. 【請求項6】被測定物との間隔を一定に保ちながら前記
    被測定物の形状をトレースする針状の凸部を有する板状
    部材を備えたプローブの製造方法において、次の工程を
    有することを特徴とする。 (1)異方性エッチングにより、シリコン基板の一方の
    面に、この面に四角形の開口部を有し側面がこのシリコ
    ン基板の{111}結晶面で構成された四角錐状の凹部を
    形成する工程。 (2)前記シリコン基板の前記四角錐状の凹部を形成し
    た面および前記四角錐状の凹部の側面にシリコン酸化膜
    を形成する工程。 (3)前記シリコン酸化膜を所望の形状にパターニング
    する工程。 (4)前記パターニングしたシリコン酸化膜から前記シ
    リコン基板を除去することにより前記シリコン酸化膜で
    形成された針状の凸部を有する板状部材を形成する工
    程。
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