JP3076148B2 - 走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーチップ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査型プローブ顕微鏡用
のカンチレバーチップに関する。

【０００２】

【従来の技術】ビニッヒやローラー等の発明した走査型
トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）におけるサーボ技術を始めと
する要素技術を利用して、ＳＴＭでは測定し難かった絶
縁性試料を原子オーダーの精度で観察することのできる
顕微鏡として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が提案され実用
に供されている。

【０００３】ＡＦＭは、構造的にはＳＴＭに類似してお
り、走査型プローブ顕微鏡の一つとして位置づけられ
る。ＡＦＭでは、鋭く尖った突起部（探針部）を自由端
に持つカンチレバーを試料に近接させ、探針部を試料表
面に沿って相対的に移動させながら、探針部先端の原子
と試料表面の原子との間に働く相互作用によって変位す
るカンチレバーの動きを電気的あるいは光学的に測定
し、試料表面の各点の情報を時系列的にとらえて処理す
ることにより、試料の凹凸情報等の三次元的な情報を得
ている。

【０００４】走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバー
は、「Thomas R. Albrecht, Calvin F. Quate, "Atomic
resolution Imaging of a nonconductor by Atomic fo
rce Microscopy" J. Appl. Pys, 62(1987)2599」の中に
おいて半導体ＩＣ製造プロセスを応用して作製したＳｉ
Ｏ₂ カンチレバーチップが提案されて以来、ミクロンオ
ーダーの高精度で非常に再現性良く作製できるとともに
バッチプロセスを用いることによりコスト的にも優れて
いるとの理由から、このＩＣ製造プロセスを応用して作
製したものが主流となっている。

【０００５】例えば、「J. Vac. Sci. Technol. A8(4)3
386 1990 (T. Albrecht, S. Akamine, T. E. Caver and
C. F. Quate) 」で触れているような、ＳｉＯ₂ 膜の代
わりに窒化シリコン膜をカンチレバー構成材料に用いた
カンチレバーチップは、既に市場に出回っている。この
カンチレバーは、長さが５０〜２００μｍ程度、厚さが
０．５〜１μｍ程度で、形状として中抜きの三角形や長
方形がある。また、カンチレバーの特性としては、バネ
定数がおよそ１〜０．１Ｎ／ｍ、共振周波数がおよそ１
０〜５０ｋＨｚである。バネ定数ｋと共振周波数ωはそ
れぞれ次式で与えられる。 ｋ＝Ｅｔ³ ｗ／４Ｌ³ …（１） ω＝0.162 （Ｅ／ρ）^1/2 ｔ／Ｌ² …（２） ここにＥはヤング率、ｔはカンチレバーの厚さ、Ｌはカ
ンチレバーの長さ、ρは密度である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】半導体ＩＣ製造プロセ
スを応用して作製したカンチレバーチップの一例を図１
７に示す。図には、中抜きの三角形のカンチレバー部２
０２の先端部に探針２１２を備えているカンチレバーチ
ップを示した。このようなカンチレバーチップは、窒化
シリコン膜等の膜材を所定の形状に整形してカンチレバ
ー部２０２とその支持部２０４とを設けた後、支持部２
０４を保持基板２０６に接合して作られる。このとき、
支持部２０４のアライメント端２０８と保持基板２０６
の加工端２１０は図１７（Ａ）に示すように一致してい
ることが好ましい。しかし、実際には図１７（Ｂ）や図
１７（Ｃ）に示すように支持部２０４のアライメント端
２０８と保持基板２０６の加工端２１０とが揃っていな
いものが製造されることがよくある。図１７（Ｂ）の場
合にはカンチレバー部２０２の長さが短くなるだけで、
その特性は図１７（Ａ）のものと殆ど変わらないが、図
１７（Ｃ）の場合には保持基板２０６の加工端２１０か
ら張り出した部分２０４ａが影響してその特性が大きく
変わり、所望の特性のカンチレバーチップすなわち図１
７（Ａ）のものとは性格を異にするものとなる。この結
果、図１７（Ｃ）に図示したようなカンチレバーチップ
は実際には使用できない。

【０００７】また、このように作製されたカンチレバー
チップは、製造時に複数のカンチレバー部を設けてお
き、測定時に不要なカンチレバー部を折って使用するの
が一般的である。このとき図１７（Ｃ）に示したカンチ
レバーチップにおいては、図１８に示すように不要なカ
ンチレバー部２０２Ａを折る際に測定に使用するカンチ
レバー部２０２Ｂにまで割れ目（一点鎖線で示す）が及
んだり、場合によっては保持基板の加工端２１０から全
体が折れてしまうことがある。

【０００８】本発明は、支持部のアライメント端と保持
基板の加工端のずれによるカンチレバー部の特性のばら
つきを抑え、特性の安定したカンチレバーチップを提供
することを目的とする。

【０００９】さらに本発明は、使用するカンチレバー部
に悪影響を与えることなく、不要なカンチレバー部を折
ることのできるカンチレバーチップを提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、保持基板と、
先端に探針部を持つカンチレバー部を含む膜材とを備
え、保持基板と膜材は接合されていて、この接合の結果
としてカンチレバー部の固定端が定められているカンチ
レバーチップであって、カンチレバー部の固定端の位置
の確認を可能にする、カンチレバー部の延びた方向に一
定ピッチを有する周期的構造が膜材に設けられているこ
とを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明のカンチレバーチップでは、カンチレバ
ー部の延びた方向に一定ピッチを有する周期的構造が設
けられている。この周期的構造は、例えば、膜材に形成
した切込みのエッジに形成される。そして、カンチレバ
ー部の固定端の位置が保持基板の加工端に一致している
カンチレバーチップでは、切込みを介して見える加工端
が周期的構造の何処に位置しているかを調べることによ
り、固定端の位置を確認できる。従って、カンチレバー
部の長さの設計値からのずれを容易に求めることができ
る。

【００１２】

【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照しな
がら説明しよう。

【００１３】まず、本発明の第一の実施例について図１
〜図５を参照して説明する。本実施例は、マイクロキャ
スティング法によって作製されるカンチレバーチップに
本発明を適用した例である。この作製法では複数のカン
チレバー部を有するカンチレバーチップが作製される。
図１は、このようなカンチレバーチップの一部であっ
て、二つのカンチレバー部を含んでいる一部を示してい
る。図１に示すように、カンチレバーチップ１０は、保
持基板１２と、これに接合された膜材１４とを有してい
る。膜材１４は、パターニングにより形成された長方形
のカンチレバー部１６と中抜きの三角形状のカンチレバ
ー部１８とを有している。これらのカンチレバー部１６
と１８は自由端部に探針部２０を有している。さらに膜
材１４は、膜材１４と保持基板１２を接合する際に、保
持基板１２の加工端１２ａに一致させる指標となるアラ
イメント端２２を有している。カンチレバー部１６と１
８の基端は、このアライメント端２２よりも後方に位置
し、また自由端部はアライメント端２２よりも前方に延
出している。ここにおいて「前方」および「後方」とい
う用語はカンチレバー部の自由端側を前方と呼ぶものと
して使用した。膜材１４は、カンチレバー部１６と１８
の基端からアライメント端２２に至るエッジ部分に、一
定ピッチを持つ階段状の周期的構造２４を有している。
また、二つのアライメント端２２の間に、ここから前方
に突出した突起部２６を有している。突起部２６もま
た、上記の周期的構造２４と同様の周期的構造２８をエ
ッジ部分に有している。続いて図２を参照しながら図１
に示したカンチレバーチップの作製方法について説明す
る。

【００１４】まず、シリコンウェハー３２の上に窒化シ
リコン膜３４をＣＶＤ法により形成する（図２
（Ａ））。次に、この窒化シリコン膜３４をパターニン
グして所定の箇所（探針部を形成する箇所）に開口５６
を形成する（図２（Ｂ））。この窒化シリコン膜３４を
マスクとしてシリコンウェハー３２に対してエッチング
を行なって、探針を形成するためのほぼ円錐形状の孔３
８を形成した後、窒化シリコン膜３４を除去する（図２
（Ｃ））。その後、シリコンウェハー５２の上に窒化シ
リコン膜４０をＣＶＤ法により０．４〜１μｍ程度の厚
さに形成する（図２（Ｄ））。この窒化シリコン膜４０
を所定の形状にパターニングして、図１の膜材１４を形
成する（図２（Ｅ））。次に、パイレックスガラス４２
を膜材１４の形状に合わせて加工して、保持基板１２を
形成する（図２（Ｆ））。この保持基板１２を膜材１４
に陽極接合する（図２（Ｇ））。このとき、両者の位置
合わせは、保持基板１２を膜材１４の上に載置した後
（図２（Ｇ１））、保持基板１２の加工端１２ａを膜材
１４のアライメント端２２に一致させる（図２（Ｇ
２））ことにより行なわれる。最後に、シリコンウェハ
ー３２をＫＯＨの４０％水溶液でエッチングして除去す
ることにより、カンチレバーチップ１０が得られる（図
２（Ｈ））。

【００１５】ところで、保持基板１２を膜材１４に陽極
接合する際の位置合わせには少なからず誤差がある。こ
のため、保持基板１２の加工端１２ａと膜材１４のアラ
イメント端２２は若干のずれが生じる。このようなずれ
が生じているカンチレバーチップを図３と図４に示す。
図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、保持基板１２の加工端
１２ａが膜材１４のアライメント端２２よりも後方に位
置しているカンチレバーチップ１０の上面図と斜視図で
ある。一方、図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、保持基板
１２の加工端１２ａが膜材１４のアライメント端２２よ
りも前方に位置しているカンチレバーチップ１０の上面
図と斜視図である。このように、本実施例のカンチレバ
ーチップでは、保持基板１２と膜材１４とを陽極接合す
る際の位置合わせでずれが生じた場合、カンチレバー部
１６と１８はその長さが変わるだけで基本的な形状は変
わらない。すなわち、長方形のカンチレバー部１６は長
さが変化しても長方形であることに変わりはなく、同様
に三角形のカンチレバー部１８も長さが変化しても三角
形であることに変わりない。従って、カンチレバー部の
バネ定数と共振周波数とのアライメントずれ量に対する
変化率が大きく変化するようなことはなくなる。また、
基本的な形状は変化しないため、バネ定数や共振周波数
の補正も容易に行なえる。例えば、長方形のカンチレバ
ー部１６に対しては、図３（Ａ）に示すように、保持基
板１２の加工端１２からアライメント端２２までの距離
すなわちずれ量をｄとし、位置ずれのないときのカンチ
レバー部１６の長さをＬとすると、カンチレバー部１６
のバネ定数ｋは（１）式より、 ｋ＝Ｅｔ³ ｗ／４（Ｌ＋ｄ）³ …（３） となる。また、共振周波数ωは（２）式より、 ω＝0.162 （Ｅ／ρ）^1/2 ｔ／（Ｌ＋ｄ）² …（４） となる。同様に、図４（Ａ）のカンチレバー部１６のバ
ネ定数ｋは（１）式より、 ｋ＝Ｅｔ³ ｗ／４（Ｌ−ｄ）³ …（５） となる。また、共振周波数ωは（２）式より、 ω＝0.162 （Ｅ／ρ）^1/2 ｔ／（Ｌ−ｄ）² …（６） となる。

【００１６】また、本実施例のカンチレバーチップで
は、膜材１４に一定ピッチの周期的構造２４と２８が設
けてあるので、補正の際に必要なずれ量ｄを容易に求め
られる。本実施例の周期的構造が１０μｍピッチで作ら
れているとすると、図３（Ａ）のカンチレバーチップの
ずれ量ｄは２０μｍ、図４（Ａ）のカンチレバーチップ
のずれ量ｄは１０μｍであることが容易に読み取れる。

【００１７】さらに、本実施例のカンチレバーチップで
は、カンチレバー部がその基端部よりも前方の部分（自
由端に近い部分）で保持基板１２に接合されているの
で、カンチレバー部を折る際にその割れ目が他のカンチ
レバー部に影響するようなことはない。つまり、不要な
カンチレバー部を折ったことによって、使用するカンチ
レバー部の特性が変化するようなことはない。

【００１８】上述したカンチレバーチップの製造では、
膜材１４を形成する際、図５に示すように、複数のカン
チレバー部を両側に設けるのが一般的である。このと
き、膜材１４と保持基板１２は、一方の側のアライメン
ト端２２と加工端１２ａとを一致させたときに、他方の
側のアライメント端２２と加工端１２ａとが一致する大
きさに形成しておく。このため、アライメント端２２と
加工端１２ａがｄずれると、一方の側のカンチレバー部
は設計値よりもｄだけ短くなり、他方の側のカンチレバ
ー部はｄだけ長くなる。このようにして作製されるカン
チレバー部はどちらの側に作製されたものも、その特性
が設計値から大きく外れたものとはならない。つまり、
使用に耐え得ないような不良品の発生率が低下する。あ
るいは、別の見方をすれば、プロセス上のアライメント
精度に余裕があるので作製が容易になる。

【００１９】本実施例では、周期的構造はカンチレバー
部の基端とアライメント端の間に設けたが、図１４に示
すように、カンチレバー部１６と１８に周期的構造２５
と２７を設けてよい。次に、本発明の第二の実施例につ
いて図６〜図１１を参照しながら説明する。本実施例の
カンチレバーチップ６０は、図６と図７に示すように、
保持基板６３と、その表面に被着形成された膜材６４を
有している。

【００２０】膜材６４は、突出した三角形のカンチレバ
ー部６１を有している。カンチレバー部６１は、その先
端に三角錐形状の探針部６２を有している。カンチレバ
ー部６１の付け根部分の両側には、溝部６５が形成され
ており、この溝部６５を規定するエッジの部分には一定
ピッチの階段形状の周期的構造６６がそれぞれ設けられ
ている。

【００２１】また図７は、図６のカンチレバーチップを
その長手方向のＡ−Ａ線に沿って切った時の断面図であ
る。レバー部６１は、ボロン（Ｂ）を高濃度にドープし
たシリコンからなり、探針部６２は、ノンドープのシリ
コンからなる。また、支持基板６３はノンドープのシリ
コンからなる。なお、レバー部６１の探針部とは反対側
の面には、必要に応じて光を反射するためのコーティン
グがなされる。ところで本発明のカンチレバーチップ６
０は溝部６５を有している点が特徴であり、図１１に示
すような、この溝部のないカンチレバーチップ７０は先
に本発明者らによって提案されており、半導体ＩＣプロ
セスを応用して作製される。

【００２２】本実施例のカンチレバーチップ６０は、そ
の製造工程のマスクパターンを変更することにより製造
される。以下、本実施例のカンチレバーチップの製造方
法を説明する。その際、まず図１１のカンチレバーチッ
プ７０の作製方法について図８を参照しながら説明し、
次にマスクパターンを変更することにより本実施例のカ
ンチレバーチップ６０が得られることを示す。

【００２３】まず、面方位（１００）で厚さが５２５μ
ｍの通常のノンドープシリコンウェハ７３を用意する
（図８（Ａ））。このシリコンウェハ７３の主表面にボ
ロン（Ｂ）を高濃度（１０¹⁸ｉｏｎｓ／ｃｍ³ ）でドー
プし、厚さ６００ｎｍ程度のボロンドープ層７２を形成
する（図８（Ｂ））。このボロンのドーピングは、例え
ば、イオンインプラテーションにより行なう。

【００２４】次に、このウェハに対してアニール処理を
行なった後、ボロンドープ層７２の上にシリコンをエピ
タキシャル成長させ、厚さ５μｍ程度のノンドープシリ
コン層７１を形成する（図８（Ｃ））。

【００２５】次に、シリコン層７１の上にレジスト７４
をコーティングした後、図９に示す形状の開口７５を形
成するために、これと同じ形状の開口をパターニングに
より形成する。このレジスト７４をマスクとしてＳＦ₆
＋Ｃ₂ ＢｒＦ₅ ガスによりシリコンウェハ７３が露出す
るまで反応性エッチングを行なって開口７５を形成する
（図８（Ｄ））。

【００２６】レジスト７４を除去した後、その表面（開
口７５の内面を含む）に熱処理により酸化シリコン膜７
６を、裏面に酸化シリコン膜７７を形成する（図８
（Ｅ））。次に、酸化シリコン膜７６の上にＳＯＧ膜７
８をコーティングして表面を平坦化する（図８
（Ｆ））。ＳＯＧの材質は、硬化した段階ではシリコン
酸化物が主成分となる。

【００２７】次に、開口７５の内部にある一部を除い
て、酸化膜７６とＳＯＧ膜７８をプラズマドライエッチ
ングにより取り去る。また、酸化シリコン膜７７をパタ
ーニングして矩形の開口７９を形成する（図８
（Ｇ））。

【００２８】その後、シリコンウェハ７３とシリコン層
７１に対して水酸化カリウム水溶液を用いてウェット異
方性エッチングを行なう。このウェット異方性エッチン
グに対して、酸化シリコン膜７７はマスクとして機能
し、ボロンドープ層７２と酸化シリコン膜７６はエッチ
ング停止層として働く。この結果、四面体構造の針状部
８１とメンブレイン８２が形成される（図８（Ｈ））。
最後に、残っている酸化シリコン膜７６とＳＯＧ膜７８
をバッファードフッ酸を用いて除去し（図８（Ｉ））、
図１１のカンチレバーチップ７０を得る。

【００２９】さて、図６に示した本実施例のカンチレバ
ーチップを作製するには、図８（Ｄ）の工程において、
レジストに設ける開口を図９の形状に代えて図１０の形
状にすればよい。

【００３０】ところで図８（Ｄ）の工程において、図１
０に示した形状の開口７５をレジスト７４に形成する
際、アライメント端８８をメンブレイン８２のエッジ８
３に一致させるのが理想であるが、実際にはアライメン
ト誤差により両者の間には少なからず誤差が生じるのが
普通である。しかし、図１０の形状のマスクパターン
は、三角部９０の基端がアライメント端８８よりも後方
に位置しているので、アライメント端８８がメンブレイ
ン８２のエッジ８３からずれても、形成されるカンチレ
バー部６１の形状にあまり変化はなく、ばね定数等の特
性が設計値からずれるのを最小限に止めることができ
る。

【００３１】本発明の第三の実施例について説明する。
図１２に示すように、本実施例のカンチレバーチップ１
００は、保持基板１０２と、これに接合された膜材１０
４を有している。膜材１０４はカンチレバー部１０６を
有し、カンチレバー部１０６は先端に探針部１０８を有
している。カンチレバー部１０６の基端部（根元）には
溝部１１０があり、これを規定する膜材１０４の端部に
は階段状の周期的構造１１２が設けられている。また、
保持基板１０２の下面には膜１１４が設けられている。

【００３２】次に、本実施例のカンチレバーチップ１０
０の製造方法について図１３を参照しながら説明する。
まず、（１００）面方位のシリコンウェハー１１６を用
意し、その上面に対して湿式異方性エッチングを行ない
矩形の凹部１１８を形成した後、その表面に対して酸化
処理を行なって酸化シリコン膜１２０を形成する（図１
３（Ａ））。この酸化シリコン膜１２０の上に図１３
（Ｂ）に示す形状のマスクパターン１２２を形成する。
その後、ウェハー１１６の裏面に酸化シリコン膜１２４
を設け、所定の形状にパターニングした後、これをマス
クに湿式異方性エッチングを行ない、図１２のカンチレ
バーチップ１００を得る（図１３（Ｃ））。

【００３３】ウェハー１１６の裏面に形成した酸化シリ
コン膜１２４のパターニングは、図１３（Ｂ）のマスク
パターン１２２に対しては、ウェハー１１６をエッチン
グして保持基板１０２を形成したときに、そのエッジ１
２６が周期的構造１１２の中央に来るように設定するの
が望ましい。このエッジ１２６の位置は、酸化シリコン
膜１２４をパターニングする際に用いるマスクの位置ず
れや、ウェハー１１６の厚さのばらつき等により容易に
ずれる。例えば、図１３（Ｃ）のカンチレバーチップが
設計値通りに形成されたものとすると、図１３（Ｄ）の
カンチレバーチップでは保持基板１０２のエッジ１２６
は設計値からＷだけずれていることになる。従って、カ
ンチレバー部１０６の長さも設計値からＷだけ長くな
る。このエッジ１２６のずれは、このカンチレバーチッ
プを上方から見て周期的構造１１２と照らし合わせるこ
とにより、その量を容易に確認することができる。

【００３４】次に、第四の実施例について説明する。本
実施例のカンチレバーチップは第一の実施例と同じ方法
で製造される。本実施例のカンチレバーチップ１３０
は、図１５に示すように、複数のカンチレバー部１３２
と１３４と１３６を有する膜材１３８を有している。こ
の膜材１３８は、これらのカンチレバー部１３２と１３
４と１３６の間に切込み部１４２を有している。この切
込み部１４２のエッジには、一定ピッチの階段状の周期
的構造１４４が設けられている。この膜材１３８は保持
基板１４０に例えば陽極接合により固定されている。こ
の陽極接合は、保持基板１４０の加工端１４０ａは周期
的構造１４４の中央に合わせて行なわれる。

【００３５】このようなカンチレバーチップは、第一の
実施例の箇所でも説明したように、図１６に示すごと
く、その両側にカンチレバー部１３２と１３４と１３６
を対向して有するように膜材１３８を形成し、これを保
持基板１４０に接合して作製されるのが好ましい。た
だ、本実施例のカンチレバーチップを作製するに当たっ
ては、保持基板１４０の幅すなわち対向する二つの加工
端１４０ａの間隔は、膜材１３８の両側にある平行に対
向した二つの直線部１４６の間隔よりも狭く設定され
る。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、周期的構造によりカン
チレバー部の固定端の位置が確認できるため、実際のカ
ンチレバー部の長さの設計値からのずれが容易に求めら
れるので、バネ定数や共振周波数の補正が容易に行なえ
るようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例のカンチレバーチップを
示す。

【図２】図１のカンチレバーチップの製造方法を説明す
るための図である。

【図３】アライメントずれが生じたときのカンチレバー
チップを示す。

【図４】アライメントずれが生じたときのカンチレバー
チップを示す。

【図５】両側にカンチレバー部を有する図１のカンチレ
バーチップを示す。

【図６】本発明の第二の実施例のカンチレバーチップを
示す。

【図７】図６のカンチレバーチップをＡ−Ａ線で破断し
た断面を示す。

【図８】図６のカンチレバーチップを製造する際の基礎
となる、従来型のカンチレバーチップの製造方法を説明
するための図である。

【図９】図８（Ｄ）の工程においてレジストに形成する
開口の形状を示す。

【図１０】図６のカンチレバーチップを製造する際に、
図８（Ｄ）の工程においてレジストに形成する開口の形
状を示す。

【図１１】図８の製造方法により作られる従来型のカン
チレバーチップを示す。

【図１２】本発明の第三の実施例のカンチレバーチップ
を示す。

【図１３】図１２のカンチレバーチップの製造方法を説
明するための図である。

【図１４】図１に図示した形状とは異なる別の形状の膜
材を有するカンチレバーチップを示す。

【図１５】本発明の第四の実施例のカンチレバーチップ
を示す。

【図１６】両側にカンチレバー部を有する図１５のカン
チレバーチップを示す。

【図１７】従来のカンチレバーチップを示す。

【図１８】不要なカンチレバー部を折った際に生じる割
れ目を示す。

【符号の説明】

１２…保持基板、１４…膜材、１６，１８…カンチレバ
ー部、２０…探針部、２４，２８…周期的構造。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32 G01B 7/00 - 7/34

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 保持基板と、先端に探針部を持つカンチ
   レバー部を含む膜材とを備え、保持基板と膜材は接合さ
   れていて、この接合の結果としてカンチレバー部の固定
   端が定められている走査型プローブ顕微鏡用のカンチレ
   バーチップにおいて、カンチレバー部の固定端の位置の
   確認を可能にする、カンチレバー部の延びた方向に一定
   ピッチを有する周期的構造が膜材に設けられていること
   を特徴とするカンチレバーチップ。