JP2940643B2 - 振れセンサを組み込んだカンチレバー - Google Patents
振れセンサを組み込んだカンチレバーInfo
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q20/00—Monitoring the movement or position of the probe
- G01Q20/04—Self-detecting probes, i.e. wherein the probe itself generates a signal representative of its position, e.g. piezoelectric gauge
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
- G01Q70/08—Probe characteristics
- G01Q70/10—Shape or taper
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
- Y10S977/86—Scanning probe structure
- Y10S977/873—Tip holder
Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はカンチレバー・ビーム、特に、走査プローブ
装置用のカンチレバー・ビームに関するものである。そ
のビームは、自らの機械的移動又は変位を、例えば、走
査された表面の構造の特徴を示す電気的信号に変換する
ための歪み感知素子を含む。
装置用のカンチレバー・ビームに関するものである。そ
のビームは、自らの機械的移動又は変位を、例えば、走
査された表面の構造の特徴を示す電気的信号に変換する
ための歪み感知素子を含む。
背景技術 本発明が関連する種類のカンチレバーは、例えば、米
国特許第5,345,815号に開示されている。その開示され
た超小型のカンチレバー構造では、少なくとも、カンチ
レバー・アームの固定端に圧電抵抗性の抵抗器が組み込
まれている。そのカンチレバー・アームの自由端の振れ
はそのカンチレバーに沿って応力を生じさせる。その応
力は、カンチレバー・アームの振れに比例してそのカン
チレバーの基部における圧電抵抗性抵抗器の抵抗を変化
させる。その圧電抵抗性抵抗器には抵抗測定装置が結合
されていてその抵抗器の抵抗を測定し、カンチレバー・
アームの振れに対応した信号を発生させる。その超小型
のカンチレバーは半導体基板上に形成される。カンチレ
バー・アームの自由端の一部分は、電気的には別個のＵ
字型圧電抵抗性抵抗器を形成するようにドープされる。
そのＵ字型の抵抗器は、非ゼロの圧電抵抗係数を持った
半導体基板の軸に平行な向きの２つの脚を有する。圧電
抵抗性抵抗器と抵抗測定回路との間に電気的接続を形成
するために、半導体の表面上には金属層が付着及びパタ
ーン化され、その圧電抵抗性抵抗器の抵抗の測定を可能
にする。結局、カンチレバー・アームの下の半導体基板
は、浮動カンチレバー構造を形成するように事実上取り
除かれるであろう。走査プローブ顕微鏡（SPM）及び関
連の適用分野においてカンチレバーを使用するために、
そのカンチレバーの自由端には先端部（tip）が装着さ
れる。
国特許第5,345,815号に開示されている。その開示され
た超小型のカンチレバー構造では、少なくとも、カンチ
レバー・アームの固定端に圧電抵抗性の抵抗器が組み込
まれている。そのカンチレバー・アームの自由端の振れ
はそのカンチレバーに沿って応力を生じさせる。その応
力は、カンチレバー・アームの振れに比例してそのカン
チレバーの基部における圧電抵抗性抵抗器の抵抗を変化
させる。その圧電抵抗性抵抗器には抵抗測定装置が結合
されていてその抵抗器の抵抗を測定し、カンチレバー・
アームの振れに対応した信号を発生させる。その超小型
のカンチレバーは半導体基板上に形成される。カンチレ
バー・アームの自由端の一部分は、電気的には別個のＵ
字型圧電抵抗性抵抗器を形成するようにドープされる。
そのＵ字型の抵抗器は、非ゼロの圧電抵抗係数を持った
半導体基板の軸に平行な向きの２つの脚を有する。圧電
抵抗性抵抗器と抵抗測定回路との間に電気的接続を形成
するために、半導体の表面上には金属層が付着及びパタ
ーン化され、その圧電抵抗性抵抗器の抵抗の測定を可能
にする。結局、カンチレバー・アームの下の半導体基板
は、浮動カンチレバー構造を形成するように事実上取り
除かれるであろう。走査プローブ顕微鏡（SPM）及び関
連の適用分野においてカンチレバーを使用するために、
そのカンチレバーの自由端には先端部（tip）が装着さ
れる。
米国特許第5,345,815号に開示されたタイプのカンチ
レバーは本発明に関する種類のものに密接に関連してい
るけれども、小型の加速度計の例は数多く存在し、しか
も、カンチレバー構造に類似した圧力計はその分野にお
いて知られている。しかし、これらの構造を注意深く分
析すると、それらは、固い塊りとして形成される或いは
固い塊りを担持する浮動アームの可撓性が不十分である
ために、SPMには適用し得ないことがわかった。そのよ
うな加速度計の例は、IEEE Transactions on Electron
Devices誌のVol.ED−26,No.12,Dec.79のpp.1911−1917
においてL.M.Roylance及びJ.B.Angell氏によって開示さ
れている。
レバーは本発明に関する種類のものに密接に関連してい
るけれども、小型の加速度計の例は数多く存在し、しか
も、カンチレバー構造に類似した圧力計はその分野にお
いて知られている。しかし、これらの構造を注意深く分
析すると、それらは、固い塊りとして形成される或いは
固い塊りを担持する浮動アームの可撓性が不十分である
ために、SPMには適用し得ないことがわかった。そのよ
うな加速度計の例は、IEEE Transactions on Electron
Devices誌のVol.ED−26,No.12,Dec.79のpp.1911−1917
においてL.M.Roylance及びJ.B.Angell氏によって開示さ
れている。
その特定のカンチレバー構造及びそれの応用に関係な
く、設計の最適化により圧電抵抗の歪み測定の感度を改
善するための試みが知られている。例えば、Sensors an
d Actuators17（1989）誌のpp.225−233において公表さ
れた計算及び実験は、カンチレバー上で線形に及び指数
関数的に先細りになった抵抗層を導いている。最適化設
計に対するもう１つの提案が米国特許第4,605,919号に
開示され、そこでは、カンチレバーがそれのベース端に
おいて溝を有する。圧電抵抗性センサがその溝をブリッ
ジする。この設計による感度が他の設計よりも優れてい
ることが主張されているけれども、その提案された設計
は、特に、カンチレバーの厚さが10μｍよりも小さい
時、実現化することが困難であることがわかった。
く、設計の最適化により圧電抵抗の歪み測定の感度を改
善するための試みが知られている。例えば、Sensors an
d Actuators17（1989）誌のpp.225−233において公表さ
れた計算及び実験は、カンチレバー上で線形に及び指数
関数的に先細りになった抵抗層を導いている。最適化設
計に対するもう１つの提案が米国特許第4,605,919号に
開示され、そこでは、カンチレバーがそれのベース端に
おいて溝を有する。圧電抵抗性センサがその溝をブリッ
ジする。この設計による感度が他の設計よりも優れてい
ることが主張されているけれども、その提案された設計
は、特に、カンチレバーの厚さが10μｍよりも小さい
時、実現化することが困難であることがわかった。
従って、本発明の目的は、振れ測定の感度及び信号対
雑音（S/N）比を高めるように既知のカンチレバーを改
良することである。
雑音（S/N）比を高めるように既知のカンチレバーを改
良することである。
発明の開示 本発明は本願の請求の範囲に示された機構によって特
徴付けられる。
徴付けられる。
本発明のカンチレバーは、特に、小さくされた横方向
の寸法又はヤング率を有する「くびれ（constrictio
n）」部分を有することを特徴とする。その横方向の寸
法とは、矩形の断面を持ったビーム型カンチレバーの場
合には厚さ及び幅であり、円筒型のカンチレバーの場合
には直径である。ヤング率は材料の弾性を定義する。そ
れは、ベース材料の一部を他の材料と置換することによ
って、或いはドーピング、イオン注入、又は高エネルギ
放射のような化学的又は物理的プロセス使用して材料の
弾性を変えることによって、局部的に変更することが可
能である。
の寸法又はヤング率を有する「くびれ（constrictio
n）」部分を有することを特徴とする。その横方向の寸
法とは、矩形の断面を持ったビーム型カンチレバーの場
合には厚さ及び幅であり、円筒型のカンチレバーの場合
には直径である。ヤング率は材料の弾性を定義する。そ
れは、ベース材料の一部を他の材料と置換することによ
って、或いはドーピング、イオン注入、又は高エネルギ
放射のような化学的又は物理的プロセス使用して材料の
弾性を変えることによって、局部的に変更することが可
能である。
本発明によるカンチレバーのもう１つの重要な特徴
は、カンチレバーの振れを検出する組込型歪みセンサが
そのくびれの側にあっても十分にカンチレバーと接触し
或はカンチレバーに組み込まれていることである。これ
は、感度における大きな損失を被ることなく実施するこ
とが容易であるという理由で、例えば、米国特許第4,60
5,919号において提案されたようなブリッジ型歪みセン
サよりも遥かに有利な点であると考えられる。ブリッジ
型センサは、更に、カンチレバーの全体の厚さが10μｍ
よりも小さい時、くびれの影響をかなり減少させるであ
ろう。
は、カンチレバーの振れを検出する組込型歪みセンサが
そのくびれの側にあっても十分にカンチレバーと接触し
或はカンチレバーに組み込まれていることである。これ
は、感度における大きな損失を被ることなく実施するこ
とが容易であるという理由で、例えば、米国特許第4,60
5,919号において提案されたようなブリッジ型歪みセン
サよりも遥かに有利な点であると考えられる。ブリッジ
型センサは、更に、カンチレバーの全体の厚さが10μｍ
よりも小さい時、くびれの影響をかなり減少させるであ
ろう。
本発明の更にもう１つの重要な特徴は、このくびれ部
分の長さがカンチレバーの全体の長さよりもかなり小さ
いことである。両方の長さの比は、満足すべき結果を与
えるためには、少なくとも、1:5、望ましくは、1:10以
上、或いは、更に、1:100以上でなければならないが、
その拡大率はくびれの長さの減少と共に増加するので、
対応する上限を与えることはできない。例えば、人工的
に引き起こされた極細の割れ目をくびれとして利用する
時、1:10000の比、更に、1:100000の比さえ達成可能で
あるように見える。
分の長さがカンチレバーの全体の長さよりもかなり小さ
いことである。両方の長さの比は、満足すべき結果を与
えるためには、少なくとも、1:5、望ましくは、1:10以
上、或いは、更に、1:100以上でなければならないが、
その拡大率はくびれの長さの減少と共に増加するので、
対応する上限を与えることはできない。例えば、人工的
に引き起こされた極細の割れ目をくびれとして利用する
時、1:10000の比、更に、1:100000の比さえ達成可能で
あるように見える。
本発明によるカンチレバーは、別の方法として、超小
型圧力センサ及び加速度計の分野において一般に見られ
るようなヒンジ部分を持った既知の電気機械的変換器を
参考にすることによって特徴付けることが可能である。
これらの装置は、本発明が関連する種類の応用には適し
ていない。例えば,IEEE Transactions on Electron Dev
ices誌のVol.ED−26,No.12,Dec.79のPP.1911−1917にお
けるL.M.Roylance及びJ.B.Angell氏によって開示されて
いるような、或いはWilner氏に付与された米国特許第4,
605,919号に開示されているような既知の圧力センサ及
び加速度計は、通常、固い塊り又はパドルを軟らかいヒ
ンジ部分に取り付けられている。これらの既知の装置が
走査型プローブ顕微鏡の分野において適用されないの
は、ヒンジ部分の比較的小さいスティフネス、及び変換
器の最先端部分の硬さ及び大きい質量のためである。
型圧力センサ及び加速度計の分野において一般に見られ
るようなヒンジ部分を持った既知の電気機械的変換器を
参考にすることによって特徴付けることが可能である。
これらの装置は、本発明が関連する種類の応用には適し
ていない。例えば,IEEE Transactions on Electron Dev
ices誌のVol.ED−26,No.12,Dec.79のPP.1911−1917にお
けるL.M.Roylance及びJ.B.Angell氏によって開示されて
いるような、或いはWilner氏に付与された米国特許第4,
605,919号に開示されているような既知の圧力センサ及
び加速度計は、通常、固い塊り又はパドルを軟らかいヒ
ンジ部分に取り付けられている。これらの既知の装置が
走査型プローブ顕微鏡の分野において適用されないの
は、ヒンジ部分の比較的小さいスティフネス、及び変換
器の最先端部分の硬さ及び大きい質量のためである。
従って、本発明の更なる特徴は、既知の変換器とは違
って、くびれを持ったカンチレバーのコンプライアンス
Ccとくびれを持たないカンチレバーのコンプライアンス
Cuとの比、即ち、スティフネスの逆数、Cc/Cu＝１＋ｎ
λ／εが10よりも小さく、望ましくは、３に近く、しか
し0.1より小さくないことである。係数ｎはカンチレバ
ーの形状によって決定される。即ち、矩形のビームに対
するｎの値は３に等しく、三角形のビームに対するｎは
２まで減少する。文字λは、くびれの有効長とカンチレ
バーの残りの長さとの比として定義された長さ方向のく
びれ係数を表し、一方、εは、後述の式［１］に示すよ
うに、くびれ部分のヤング率とカンチレバーの残りの部
分のヤング率との比と、くびれ部分の厚さを３乗した値
とカンチレバーの残りの部分の厚さを３乗した値との比
と、くびれ部分の幅とカンチレバーの残りの部分の幅と
の比との積として定義された横方向のくびれ係数として
定義される。従って、係数εは横方向の寸法及びくびれ
の材料の特性を特徴付ける。
って、くびれを持ったカンチレバーのコンプライアンス
Ccとくびれを持たないカンチレバーのコンプライアンス
Cuとの比、即ち、スティフネスの逆数、Cc/Cu＝１＋ｎ
λ／εが10よりも小さく、望ましくは、３に近く、しか
し0.1より小さくないことである。係数ｎはカンチレバ
ーの形状によって決定される。即ち、矩形のビームに対
するｎの値は３に等しく、三角形のビームに対するｎは
２まで減少する。文字λは、くびれの有効長とカンチレ
バーの残りの長さとの比として定義された長さ方向のく
びれ係数を表し、一方、εは、後述の式［１］に示すよ
うに、くびれ部分のヤング率とカンチレバーの残りの部
分のヤング率との比と、くびれ部分の厚さを３乗した値
とカンチレバーの残りの部分の厚さを３乗した値との比
と、くびれ部分の幅とカンチレバーの残りの部分の幅と
の比との積として定義された横方向のくびれ係数として
定義される。従って、係数εは横方向の寸法及びくびれ
の材料の特性を特徴付ける。
この比ｎλ／εは、前述のRoylance及びAngell氏によ
って開示された加速度計のような代表的な加速度計に対
して、およそ、次のように見積ることができる。
って開示された加速度計のような代表的な加速度計に対
して、およそ、次のように見積ることができる。
上記のようなカンチレバー及びそれのくびれの特徴
は、カンチレバー全体が可撓性であり、軟らかいヒンジ
に取り付けられた固い塊りに縮小されないことを保証す
る。既知の加速度計及び圧力計にはなかったこの可撓性
は、大きい帯域幅において必要な感度を得るために、SP
M関連の応用では必要である。
は、カンチレバー全体が可撓性であり、軟らかいヒンジ
に取り付けられた固い塊りに縮小されないことを保証す
る。既知の加速度計及び圧力計にはなかったこの可撓性
は、大きい帯域幅において必要な感度を得るために、SP
M関連の応用では必要である。
カンチレバー構造のくびれ部分の長さを小さくするこ
ととは別に、そのくびれ部分に組み込まれた振れ感知素
子のアクティブ領域の長さ方向の寸法を小さくすること
も本発明の望ましい特徴である。従って、Ｖ型の溝に対
しては、感知素子は、その溝に沿って延びるように設計
されることが望ましい。
ととは別に、そのくびれ部分に組み込まれた振れ感知素
子のアクティブ領域の長さ方向の寸法を小さくすること
も本発明の望ましい特徴である。従って、Ｖ型の溝に対
しては、感知素子は、その溝に沿って延びるように設計
されることが望ましい。
その使用された振れセンサは、カンチレバーが撓めら
れる時に形成される物理的応力に敏感であるので、本発
明の幾つかの好適な実施例は、そのカンチレバー構造内
の応力分布を最適化することを特徴とする。従って、く
びれ領域における振れセンサの感度は、カンチレバーを
長さ方向に三角形に成形することによって、例えば、先
端に向けて先細くすることによって、又は三角形の断面
を使用することによって、又は両方の方法を組み合わせ
ることによって、高めることが可能である。
れる時に形成される物理的応力に敏感であるので、本発
明の幾つかの好適な実施例は、そのカンチレバー構造内
の応力分布を最適化することを特徴とする。従って、く
びれ領域における振れセンサの感度は、カンチレバーを
長さ方向に三角形に成形することによって、例えば、先
端に向けて先細くすることによって、又は三角形の断面
を使用することによって、又は両方の方法を組み合わせ
ることによって、高めることが可能である。
本発明の更なる好適な実施例では、カンチレバーがそ
のくびれ部分のすぐ近くにスティフネスを増強した部分
を有する。この更なる部分の長さは、そのカンチレバー
の全体の長さを延ばすものではない。それは、カンチレ
バーの全体の長さの0.5倍よりも小さく制限されること
が望ましい。更に望ましくは、それはくびれ部分とほぼ
同じ長さを有する。即ち、両方の長さは精々30パーセン
トしか違わない。好適な実施例では、スティフネスを増
強された部分は、カンチレバーの断面を拡大することに
よって実現される。他の可能性は、この部分におけるカ
ンチレバーのヤング率を高くすることを含む。
のくびれ部分のすぐ近くにスティフネスを増強した部分
を有する。この更なる部分の長さは、そのカンチレバー
の全体の長さを延ばすものではない。それは、カンチレ
バーの全体の長さの0.5倍よりも小さく制限されること
が望ましい。更に望ましくは、それはくびれ部分とほぼ
同じ長さを有する。即ち、両方の長さは精々30パーセン
トしか違わない。好適な実施例では、スティフネスを増
強された部分は、カンチレバーの断面を拡大することに
よって実現される。他の可能性は、この部分におけるカ
ンチレバーのヤング率を高くすることを含む。
上述のように、本発明によるくびれは横方向の寸法の
変更に限定されない。それは、カンチレバーのベース材
料の部分を更に弾性のある材料、例えば、有機ポリマに
置換することによってくびれ部分における材料の弾性定
数を変更することにより達成することができる。ベース
材料が空気によって置換されるというそのような弾性く
びれの極端な例として、横方向のくびれ、即ち、幾何学
的くびれを考慮することは有益なことかもしれない。
変更に限定されない。それは、カンチレバーのベース材
料の部分を更に弾性のある材料、例えば、有機ポリマに
置換することによってくびれ部分における材料の弾性定
数を変更することにより達成することができる。ベース
材料が空気によって置換されるというそのような弾性く
びれの極端な例として、横方向のくびれ、即ち、幾何学
的くびれを考慮することは有益なことかもしれない。
新しいカンチレバーの可能な用途は走査型プローブ顕
微鏡（SPM）関連の応用に限定されない。その新しいタ
イプのカンチレバーは如何なる振れの測定に対しても感
度を増強するので、それは種々の超小型の機械的なメー
タ、例えば、加速度計又は圧力計において使用可能であ
る。
微鏡（SPM）関連の応用に限定されない。その新しいタ
イプのカンチレバーは如何なる振れの測定に対しても感
度を増強するので、それは種々の超小型の機械的なメー
タ、例えば、加速度計又は圧力計において使用可能であ
る。
本発明の特徴と思われるこれらの及び他の新規な特徴
は請求の範囲に記述されている。しかし、本発明自体、
望ましい使用モード、及び本発明の更なる目的及び利点
は、添付図面と関連して以下のような実施例の更なる詳
細な説明を参照することによって最もよく理解されるで
あろう。
は請求の範囲に記述されている。しかし、本発明自体、
望ましい使用モード、及び本発明の更なる目的及び利点
は、添付図面と関連して以下のような実施例の更なる詳
細な説明を参照することによって最もよく理解されるで
あろう。
図面の簡単な説明 第1A図及び第1B図は、本発明によるカンチレバーにお
ける第１のタイプのくびれ部分（厚さくびれ）に関する
異なる概念図を示す。
ける第１のタイプのくびれ部分（厚さくびれ）に関する
異なる概念図を示す。
第2A図及び第2B図は、本発明によるカンチレバーにお
ける第２のタイプのくびれ部分（幅くびれ）に関する異
なる概念図を示す。
ける第２のタイプのくびれ部分（幅くびれ）に関する異
なる概念図を示す。
第3A図及び第3B図は、本発明によるカンチレバーにお
ける第３のタイプのくびれ部分（対称的厚さくびれ）に
関する異なる概念図を示す。
ける第３のタイプのくびれ部分（対称的厚さくびれ）に
関する異なる概念図を示す。
第4A図乃至第4C図は歪み感知素子に対する種々の位置
を示す。
を示す。
第5A図及び第5B図はくびれ部分及びスティフネス増強
部分を持ったカンチレバーに関する異なる概念図を示
す。
部分を持ったカンチレバーに関する異なる概念図を示
す。
第６図は本発明による三角形状カンチレバーに傾いた
上面図を示す。
上面図を示す。
発明を実施するための最良の形態 第1A図及び第1B図を参照すると、本発明のよりよい理
解及び認識のために、幾つかの基本的なパラメータが紹
介及び定義されている。第1A図及び第1B図は、それぞ
れ、くびれを持ったカンチレバーの傾いた上面図及び断
面図を示す。カンチレバー構造全体は３つの部分、即
ち、下記のものを固定するように働く支持構造体11、く
びれ部分12、及び先端部（図示されていない）を取り付
けられたカンチレバー13自体よりなる。支持構造体11と
くびれ部分12との間のカンチレバーの遷移部分は、これ
らのタイプのカンチレバーでは、歪みが固定端或いは支
持端からの距離と共に直線的に減少するので、矩形形状
のカンチレバーに対しては短く保たれている。歪みがビ
ーム全体の長さに沿って一定である三角形状のカンチレ
バー（第６図参照）に対しては、くびれ部分は、支持端
から更に大きい距離のところに設置可能である。
解及び認識のために、幾つかの基本的なパラメータが紹
介及び定義されている。第1A図及び第1B図は、それぞ
れ、くびれを持ったカンチレバーの傾いた上面図及び断
面図を示す。カンチレバー構造全体は３つの部分、即
ち、下記のものを固定するように働く支持構造体11、く
びれ部分12、及び先端部（図示されていない）を取り付
けられたカンチレバー13自体よりなる。支持構造体11と
くびれ部分12との間のカンチレバーの遷移部分は、これ
らのタイプのカンチレバーでは、歪みが固定端或いは支
持端からの距離と共に直線的に減少するので、矩形形状
のカンチレバーに対しては短く保たれている。歪みがビ
ーム全体の長さに沿って一定である三角形状のカンチレ
バー（第６図参照）に対しては、くびれ部分は、支持端
から更に大きい距離のところに設置可能である。
特徴的な寸法、即ち、カンチレバーのくびれ部分12の
長さＬ、幅W,及び厚さＴは、以下の説明では、図に示す
ように、添え字「１」を付され、そしてくびれ部分を除
くカンチレバーの残りの部分のそれらは添え字「２」を
付される。
長さＬ、幅W,及び厚さＴは、以下の説明では、図に示す
ように、添え字「１」を付され、そしてくびれ部分を除
くカンチレバーの残りの部分のそれらは添え字「２」を
付される。
カンチレバーの振れは、第1B図における矢印によって
表されるように、厚さＴの方向であると考えられる。こ
れらの条件の下で、くびれによって生じる歪み拡大率及
びスティフネス減少は「横方向くびれ係数」εによって
支配される。一方、その係数εは次のように定義され
る。
表されるように、厚さＴの方向であると考えられる。こ
れらの条件の下で、くびれによって生じる歪み拡大率及
びスティフネス減少は「横方向くびれ係数」εによって
支配される。一方、その係数εは次のように定義され
る。
そして、「長さ方向係数」は次式によって定義され
る。
る。
λ≡L1/L2 ［２］ 但し、L1はくびれの有効長であり、幾何学的長さより
も大きいが、通常は、この長さの２倍よりも大きく超え
ることはない。そしてL1＋L2＝Lcがカンチレバーの全体
の長さである。
も大きいが、通常は、この長さの２倍よりも大きく超え
ることはない。そしてL1＋L2＝Lcがカンチレバーの全体
の長さである。
懸架されたビームにおける歪み計算の基本的な関係を
使用すると、そのビームの固定端に設けられたくびれの
上側又は下側における歪みσｃは、一様に矩形の断面、
等しいスティフネス、及び寸法Lu＝Lc、Tu＝Tc、しか
し、WuEu＜W2E2を持ったビームの歪みに等しい。従っ
て、 但し、矩形ビーム（第1A図）に対してはｎ＝３であり、
三角形ビーム（第６図）に対してはｎ＝２である。
使用すると、そのビームの固定端に設けられたくびれの
上側又は下側における歪みσｃは、一様に矩形の断面、
等しいスティフネス、及び寸法Lu＝Lc、Tu＝Tc、しか
し、WuEu＜W2E2を持ったビームの歪みに等しい。従っ
て、 但し、矩形ビーム（第1A図）に対してはｎ＝３であり、
三角形ビーム（第６図）に対してはｎ＝２である。
等式［３］は、ε及びλ、即ち、横方向くびれ係数及
び長さ方向くびれ係数の両方とも、歪みの拡大率に影響
を与えることを示している。厚さの比τはその３乗をも
ってεに寄与しているけれども、それは等式［３］にお
ける前因子として線形に歪み拡大率を入れる。τの最適
値、即ち、 τopt＝（（１＋λ）ｎ−１）/2βη）1/3（ｎλ/2βη）1/3 ［４］ は、次の場合の所与のλ、β、及びηに対する歪み拡大
率増幅を最大にする。即ち、 そこで、対応する最適の横方向くびれ係数は次のよう
になる。即ち、 εopt＝ｎλ/2 ［６］ 横方向くびれ係数の幅係数β及び弾性係数ηは、厚さ
くびれのみにより達し得る最高の拡大率を（βη）
−1/3倍だけ増加させる。例えば、カンチレバーがLc＝
0.1mm、W2＝20μｍ、T2＝２μｍ、及びλ＝0.01、η＝
１を持つものと見なし、厚さくびれだけ（β＝１）があ
るものと仮定すると、等式［４］、［６］、及び［５］
の結果は、それぞれ、τopt＝0.247、（εopt＝0.015）
及びνmax＝5.2となる。しかし、更なる幅くびれ（β＝
0.1）がある場合、その対応する結果は、τopt＝0.53、
（εopt＝0.015）及びνmax＝11.5となる。従って、β
を、20μｍ以下の一般的な幅を持ったカンチレバーにお
けるλにほぼ等しくすることは困難であることを考慮し
て、厚さくびれは、主として、εを最適化するために使
用される。βη＜（1/2）ｎλ＝εoptの場合、最大の歪
み増幅は、τopt＞１によって、即ち、くびれ部分にお
ける厚さを拡大することによってでも得られる。従っ
て、第２のくびれの特徴τ、β、及びηの実際の割振り
に関係なく、等式［６］によって与えられた最適値に近
づけることが、本発明に従ってくびれを設計する時の最
も顕著な特徴と考えられる。
び長さ方向くびれ係数の両方とも、歪みの拡大率に影響
を与えることを示している。厚さの比τはその３乗をも
ってεに寄与しているけれども、それは等式［３］にお
ける前因子として線形に歪み拡大率を入れる。τの最適
値、即ち、 τopt＝（（１＋λ）ｎ−１）/2βη）1/3（ｎλ/2βη）1/3 ［４］ は、次の場合の所与のλ、β、及びηに対する歪み拡大
率増幅を最大にする。即ち、 そこで、対応する最適の横方向くびれ係数は次のよう
になる。即ち、 εopt＝ｎλ/2 ［６］ 横方向くびれ係数の幅係数β及び弾性係数ηは、厚さ
くびれのみにより達し得る最高の拡大率を（βη）
−1/3倍だけ増加させる。例えば、カンチレバーがLc＝
0.1mm、W2＝20μｍ、T2＝２μｍ、及びλ＝0.01、η＝
１を持つものと見なし、厚さくびれだけ（β＝１）があ
るものと仮定すると、等式［４］、［６］、及び［５］
の結果は、それぞれ、τopt＝0.247、（εopt＝0.015）
及びνmax＝5.2となる。しかし、更なる幅くびれ（β＝
0.1）がある場合、その対応する結果は、τopt＝0.53、
（εopt＝0.015）及びνmax＝11.5となる。従って、β
を、20μｍ以下の一般的な幅を持ったカンチレバーにお
けるλにほぼ等しくすることは困難であることを考慮し
て、厚さくびれは、主として、εを最適化するために使
用される。βη＜（1/2）ｎλ＝εoptの場合、最大の歪
み増幅は、τopt＞１によって、即ち、くびれ部分にお
ける厚さを拡大することによってでも得られる。従っ
て、第２のくびれの特徴τ、β、及びηの実際の割振り
に関係なく、等式［６］によって与えられた最適値に近
づけることが、本発明に従ってくびれを設計する時の最
も顕著な特徴と考えられる。
前述の基本的な関係は本発明の達成を十分に認識する
ためには有用であると考えられると説明したけれども、
以下では、本発明の種々の実施例を示す。それぞれの実
施例は種々のタイプのくびれを示す。しかし、それら
は、当業者にとって明らかなすべての変更及び修正を示
すものではない。
ためには有用であると考えられると説明したけれども、
以下では、本発明の種々の実施例を示す。それぞれの実
施例は種々のタイプのくびれを示す。しかし、それら
は、当業者にとって明らかなすべての変更及び修正を示
すものではない。
以下の実施例は、すべて、イオン・ミリング技術を使
用して製造される。この技術では、既製のカンチレバー
が、約2.3＊10-6mbarの基本圧力における真空室に密閉
される。イオン源から、ガリウム（Ga）イオンが高電圧
（10乃至30kV）によって加速され、ターゲット上に集中
させられる。ターゲット・スポットにおける材料を浸食
するために、12乃至300pAの電流が使用される。塩化物
分子のストリームをターゲット領域に向けることによっ
て、そのプロセスの効率を高めることが可能である。こ
の方法を適用することによって、溝、トレンチ、穴、及
び他のくびれを都合よく作ることができる。イオン・ミ
リングのための装置は商業的に入手可能である。
用して製造される。この技術では、既製のカンチレバー
が、約2.3＊10-6mbarの基本圧力における真空室に密閉
される。イオン源から、ガリウム（Ga）イオンが高電圧
（10乃至30kV）によって加速され、ターゲット上に集中
させられる。ターゲット・スポットにおける材料を浸食
するために、12乃至300pAの電流が使用される。塩化物
分子のストリームをターゲット領域に向けることによっ
て、そのプロセスの効率を高めることが可能である。こ
の方法を適用することによって、溝、トレンチ、穴、及
び他のくびれを都合よく作ることができる。イオン・ミ
リングのための装置は商業的に入手可能である。
例えば、Proceedings of the IEEE誌のVol.70,No.5,M
ay1982,pp.421−457におけるK.Pedersen氏の「機械的材
料としてのシリコン“Sillicon as a Mechanical Mater
ial"」と題した論文において開示されているような他と
方法が存在し、部分的に使用されている。既製のカンチ
レバーを製造するために適用されるようなアンダカット
構造は、KOH及びEDPのようなエッチング剤でもってシリ
コンをエッチングする異方性効果を活用してエッチング
可能である。これらのエッチング剤は、シリコンの（10
0）及び（110）配向の表面に対して高い異方性エッチン
グ速度を与える。エッチング処理において保持されなけ
ればならない構造は、マスク層、ドーピング、或いはエ
ッチング時間、表面の配向、及びエッチング剤のような
エッチング・パラメータの適正な選択によって保護され
る。圧電抵抗性ゾーンは、例えば、保護層の窓を通して
注入された砒素を使用することによって生成及びパター
ン化される。電気的導通路は、金属のスパッタリングに
よって与えられる。これらの製造ステップはすべて周知
であり、従って、本発明の主要な特徴であるとは考えら
れない。
ay1982,pp.421−457におけるK.Pedersen氏の「機械的材
料としてのシリコン“Sillicon as a Mechanical Mater
ial"」と題した論文において開示されているような他と
方法が存在し、部分的に使用されている。既製のカンチ
レバーを製造するために適用されるようなアンダカット
構造は、KOH及びEDPのようなエッチング剤でもってシリ
コンをエッチングする異方性効果を活用してエッチング
可能である。これらのエッチング剤は、シリコンの（10
0）及び（110）配向の表面に対して高い異方性エッチン
グ速度を与える。エッチング処理において保持されなけ
ればならない構造は、マスク層、ドーピング、或いはエ
ッチング時間、表面の配向、及びエッチング剤のような
エッチング・パラメータの適正な選択によって保護され
る。圧電抵抗性ゾーンは、例えば、保護層の窓を通して
注入された砒素を使用することによって生成及びパター
ン化される。電気的導通路は、金属のスパッタリングに
よって与えられる。これらの製造ステップはすべて周知
であり、従って、本発明の主要な特徴であるとは考えら
れない。
次に、第2A図及び第2B図を参照すると、くびれはカン
チレバーの垂直方向の穴22によって得られる。くびれ部
分から大量の材料が取り除かれるけれども、ベース材料
の残りのブリッジ221、222は望ましくない横方向の振れ
に抗する十分な抵抗を与える。
チレバーの垂直方向の穴22によって得られる。くびれ部
分から大量の材料が取り除かれるけれども、ベース材料
の残りのブリッジ221、222は望ましくない横方向の振れ
に抗する十分な抵抗を与える。
もう１つのタイプのくびれが第3A図及び第3B図と関連
して示される。くびれ部分32は、カンチレバーの表面に
エッチングされた２つのプリズム状の溝より成る。カン
チレバー33の残りと支持部分31との間のブリッジが溝の
両側及び溝相互間に残される。その設計は、熱伝達のた
めの大きな断面及びカンチレバーに沿った電気的リード
のためのブリッジを残すことを特徴としている。しか
し、ブリッジ材料のほとんどが中立ラインとしても知ら
れている歪みゼロのラインに近接しているので、くびれ
部分の歪み増強特性が維持される。
して示される。くびれ部分32は、カンチレバーの表面に
エッチングされた２つのプリズム状の溝より成る。カン
チレバー33の残りと支持部分31との間のブリッジが溝の
両側及び溝相互間に残される。その設計は、熱伝達のた
めの大きな断面及びカンチレバーに沿った電気的リード
のためのブリッジを残すことを特徴としている。しか
し、ブリッジ材料のほとんどが中立ラインとしても知ら
れている歪みゼロのラインに近接しているので、くびれ
部分の歪み増強特性が維持される。
第4A図乃至第4C図における変形は、くびれ部分内の種
々の場所に歪みセンサを設けたものを示す。第4A図の実
施例では、センサ451が溝421の底に埋め込まれている。
第4B図の実施例では、それが溝422の反対側に設けえら
れる。第4C図の実施例では、歪みセンサ453は、くびれ
部分を定義するプリズム状の溝423の両側（長さ方向）
のリムに位置づけられる。
々の場所に歪みセンサを設けたものを示す。第4A図の実
施例では、センサ451が溝421の底に埋め込まれている。
第4B図の実施例では、それが溝422の反対側に設けえら
れる。第4C図の実施例では、歪みセンサ453は、くびれ
部分を定義するプリズム状の溝423の両側（長さ方向）
のリムに位置づけられる。
第5A図及び第5B図では、くびれ52は拡大断面部分を持
った部分55を後続させている。この部分は、くびれから
残りのカンチレバー53への遷移におけるスティフネス増
強領域を与える。この領域は、例えば、２つのブリッジ
521、522の厚さを増加させることによって、くびれ部分
52自体まで延びていてもよい。
った部分55を後続させている。この部分は、くびれから
残りのカンチレバー53への遷移におけるスティフネス増
強領域を与える。この領域は、例えば、２つのブリッジ
521、522の厚さを増加させることによって、くびれ部分
52自体まで延びていてもよい。
くびれのタイプに関係なく、歪み増強は残りのカンチ
レバーそのものを成形することによって改良可能であ
る。それの通常の矩形断面を三角形断面によって置換す
る時、歪み測定の感度は更に改良可能であることがわか
った。三角形に成形されたカンチレバー・ビームは長さ
方向において均一の歪みを示すという特別の利点を有
し、従って、固定端から大きな距離のところにくびれを
設ける可能性を与える。第６図では、カンチレバー63は
水平面における三角形の断面を有する。更に、そのカン
チレバーは、第3A図及び第3B図によって示されたものと
同様に、それの図示の面及び隠れた面におけるプリズム
状の溝62によって形成される。又、そのカンチレバーは
拡大断面部分65を示し、その部分65はくびれの有効長を
減少させる（第５図参照）。AFMタイプの応用、例え
ば、表面の点検又は修正において使用するために、カン
チレバーの最先端部分に先端部64が取り付けられる。な
お、この図及び他のすべての図が縮尺して描かれている
のではないことに留意すべきである。
レバーそのものを成形することによって改良可能であ
る。それの通常の矩形断面を三角形断面によって置換す
る時、歪み測定の感度は更に改良可能であることがわか
った。三角形に成形されたカンチレバー・ビームは長さ
方向において均一の歪みを示すという特別の利点を有
し、従って、固定端から大きな距離のところにくびれを
設ける可能性を与える。第６図では、カンチレバー63は
水平面における三角形の断面を有する。更に、そのカン
チレバーは、第3A図及び第3B図によって示されたものと
同様に、それの図示の面及び隠れた面におけるプリズム
状の溝62によって形成される。又、そのカンチレバーは
拡大断面部分65を示し、その部分65はくびれの有効長を
減少させる（第５図参照）。AFMタイプの応用、例え
ば、表面の点検又は修正において使用するために、カン
チレバーの最先端部分に先端部64が取り付けられる。な
お、この図及び他のすべての図が縮尺して描かれている
のではないことに留意すべきである。
更に、くびれを持ったカンチレバーは、既知の超小型
の機械的圧力計又は加速度計の感度を高めるためにも使
用可能であるも注目すべきである。これらの計器は、通
常、懸架された固い塊り或いは１つ又は複数のビームに
よって支持された隔膜より成り、ほとんどの場合、その
隔膜の中に歪みセンサが組み込まれている。ここに開示
したようなくびれ部分を支持ビームに導入することによ
って、懸架された塊り又は隔膜の如何なる振れも、高い
精度でもって探知することが可能である。従って、本発
明が教示するところは、ある種の振れ測定を必要と多種
類の超小型機械的装置に転用可能である。
の機械的圧力計又は加速度計の感度を高めるためにも使
用可能であるも注目すべきである。これらの計器は、通
常、懸架された固い塊り或いは１つ又は複数のビームに
よって支持された隔膜より成り、ほとんどの場合、その
隔膜の中に歪みセンサが組み込まれている。ここに開示
したようなくびれ部分を支持ビームに導入することによ
って、懸架された塊り又は隔膜の如何なる振れも、高い
精度でもって探知することが可能である。従って、本発
明が教示するところは、ある種の振れ測定を必要と多種
類の超小型機械的装置に転用可能である。
産業上の利用可能性 上述のように、製造プロセスは、異方性エッチングに
関して、一括生産又は大量生産に適用し得るので、本発
明は、同等の又はわずかに修正されたカンチレバーのア
レイに容易に拡張可能である。これらのアレイは、記憶
装置、タッチ感応性スクリーン等のような種々の適用分
野において使用可能である。
関して、一括生産又は大量生産に適用し得るので、本発
明は、同等の又はわずかに修正されたカンチレバーのア
レイに容易に拡張可能である。これらのアレイは、記憶
装置、タッチ感応性スクリーン等のような種々の適用分
野において使用可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴェッテイガー、ペータ スイス国ラングノー、ラングモーゼシュ トラーセ 33 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01N 37/00 G01B 21/30 ＷＰＩ／Ｌ
Claims (9)
- 【請求項１】くびれ部分を有するカンチレバーにして、
該カンチレバーは長手方向及び該長手方向に直交する横
方向を有し、前記くびれ部分及び該くびれ部分を除く前
記カンチレバーの残りの部分は前記横方向の厚さ及び幅
を有し、前記くびれ部分の前記横方向の寸法は前記カン
チレバーの残りの部分の横方向の寸法よりも小さくそし
て前記くびれ部分のヤング率は前記カンチレバーの残り
の部分のヤング率よりも小さく、前記カンチレバーと完
全に接触し或いは該カンチレバーに組み込まれた層を形
成する少なくとも１つの歪み感知素子（451、452、45
3）を組み込まれた前記カンチレバーにおいて、 前記くびれ部分の前記長手方向の長さL1は前記カンチレ
バーの全体の長さの1/5よりも小さく、そして比ｎλ／
εが９よりも小さく、 ここで、ｎは前記カンチレバーの形状に従って１乃至10
の範囲における幾何学的係数であり、 λは前記長さL1と前記カンチレバーの残りの部分の長さ
L2との比として定義された長さ方向のくびれ係数であ
り、 εは、 前記くびれ部分のヤング率と前記カンチレバーの残りの
部分のヤング率との比と、 前記くびれ部分の厚さを３乗した値と前記カンチレバー
の残りの部分の厚さを３乗した値との比と、 前記くびれ部分の幅と前記カンチレバーの残りの部分の
幅との比との積として定義された前記横方向のくびれ係
数であることを特徴とするカンチレバー。 - 【請求項２】サンプルの表面をプローブするためのチッ
プ（64）を取り付けられたことを特徴とする請求の範囲
第１項に記載のカンチレバー。 - 【請求項３】前記くびれ部分は横方向に延びる少なくと
も１つの溝（12、32、62）より成ることを特徴とする特
許請求の範囲第１項に記載のカンチレバー。 - 【請求項４】スティフネスを増強された部分（55、65）
を前記くびれ部分に近接して有することを特徴とする請
求の範囲第１項に記載のカンチレバー。 - 【請求項５】断面を拡大された部分（55、65）を前記く
びれ部分に近接して有することを特徴とする請求の範囲
第１項に記載のカンチレバー。 - 【請求項６】前記感知素子（451、452）はビーム部分に
関して横方向に延びていることを特徴とする請求の範囲
第１項に記載のカンチレバー。 - 【請求項７】前記ビーム部分（63）は水平面、又は垂直
面、又は水平面及び垂直面において三角形の断面を有す
ることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のカンチレ
バー。 - 【請求項８】請求の範囲第１項に記載のカンチレバーを
少なくとも１つ含むデータ記憶システム。 - 【請求項９】請求の範囲第１項に記載のカンチレバーを
複数個含むアレイ。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/IB1995/000724 WO1997009584A1 (en) | 1995-09-01 | 1995-09-01 | Cantilever with integrated deflection sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10500220A JPH10500220A (ja) | 1998-01-06 |
| JP2940643B2 true JP2940643B2 (ja) | 1999-08-25 |
Family
ID=11004364
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP51101297A Expired - Fee Related JP2940643B2 (ja) | 1995-09-01 | 1995-09-01 | 振れセンサを組み込んだカンチレバー |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5739425A (ja) |
| JP (1) | JP2940643B2 (ja) |
| WO (1) | WO1997009584A1 (ja) |
Families Citing this family (31)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11304825A (ja) * | 1997-09-30 | 1999-11-05 | Seiko Instruments Inc | 半導体歪センサおよびその製造方法ならびに走査型プローブ顕微鏡 |
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