JP3240692B2 - 薄膜型変位センサーを設けたカンチレバー - Google Patents

薄膜型変位センサーを設けたカンチレバー

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尚光 藤生
逹士 野村
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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/04Gramophone pick-ups using a stylus; Recorders using a stylus
    • H04R17/08Gramophone pick-ups using a stylus; Recorders using a stylus signals being recorded or played back by vibration of a stylus in two orthogonal directions simultaneously

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  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、カンチレバーに関する
ものであり、特に原子間力顕微鏡のカンチレバーに関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】走査型顕微鏡のひとつである原子間力顕
微鏡(Atomic Force Microscope :AFM)は、物質
間に働く力により表面の2次的な観察像を形成するもの
である。AFMは、電気伝導性のない材料表面や有機分
子をナノメートルスケールで観察できることから、広範
な応用が期待されている(山田、応用物理 第59巻第2
号 P191〜192 )。
【0003】図2に、従来のAFMの原理の概念図を示
す。AFMは、先端曲率半径の小さな針状チップと可撓
性プレートとからなるカンチレバーと、可撓性プレート
のたわみ(曲がり)を測定する変位検出系から構成され
る。カンチレバーの先端の針状チップをサンプルに近づ
ける(10nm程度)と、サンプル原子と針状チップとの
間には静電気、磁気及びファンデルワールス力などが働
いて可撓性プレートがたわむ。このたわみの変位量を変
位検出系により検出することによって測定が行われる。
【0004】そして、サンプルを走査することによりサ
ンプル表面の力の2次元的情報が得られる。また、可撓
性プレートのたわみを一定にするように試料の位置を制
御しながらサンプルを走査することにより表面の微視的
形状を知ることができる。例えば、特開平3−218998に
は、シリコン基板およびこれと一体化した尖鋭なシリコ
ンチップとからなるカンチレバー、あるいは窒化珪素基
板と尖鋭なシリコンチップとからなるカンチレバーが記
載されている。
【0005】また、特開平1−262403には、上記のカン
チレバーの他、シリコンからなるプレートが回転する構
造のカンチレバーが記載されている。これらのカンチレ
バーのサンプル原子から受ける力によって生ずる変位を
検出する変位検出系には、トンネル検出方式、光波干渉
方式、光てこ方式が用いられていた。
【0006】いずれの方法においても、カンチレバーと
変位検出系との相対変位によって針状チップの動きを測
定するため、カンチレバーに対して変位検出系が固定さ
れないと変位の読み取り誤差が大きくなる。そのため、
従来、カンチレバー、変位検出系を固定し、試料を走査
していた。しかしながら、この方式では、試料が大きく
なると機械的特性が劣化するため試料を薄く小さく加工
する必要があった。それゆえ、大型試料を観察するとき
にはカンチレバーを走査したいが、従来のAFMでは、
上述のようにカンチレバーと重い変位検出系を一体にし
て走査する必要があり、特性を劣化させてしまうことか
ら逃れられなかった。
【0007】また、AFMは、〜 100μmの視野しか持
たず、かつその範囲においては1フレーム数分かかり、
光学顕微鏡や電子顕微鏡のようにスムーズなファインダ
ー機能を持っていない。そして、大きな変位検出系のた
めに、上部からN.Aの大きい光学顕微鏡でカンチレバ
ー、サンプルの位置合わせができないこともAFMの操
作性を悪くしていた。
【0008】そこで、変位検出系とカンチレバーを一体
化する試みがなされている。たとえば、シリコンカンチ
レバー中にピエゾ抵抗部分を作り、これの抵抗変化で変
位を感知するピエゾ抵抗方式(International Conferen
ce on Solid-State Sensorsand Actuators 1991、予
稿、 PP448〜451 )、カンチレバー上に微小光学系を作
り、光路長の変化による光波干渉を計測し、変位を感知
する光干渉方式(特開平2−196209)がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような変位検出系とカンチレバーを一体化する方法で
は、カンチレバー自体の材料を変位検出系を構成する材
料とするか、あるいはカンチレバーの材料の一部を変位
検出系を構成する材料とするため、カンチレバー用の材
料が検出方式により限定されてしまうという問題があっ
た。たとえば、ピエゾ抵抗方式では、ピエゾ抵抗を得る
ためにシリコンを材料とするしかなく、光干渉方式で
は、窒化珪素、珪酸塩ガラス等の光学材料を使わなけれ
ばならない。さらに、このような材料を用いた場合に
は、カンチレバーが他の材料と複合した二重、三重の複
雑な構造になることが多い。
【0010】このように、カンチレバーの材料が限定さ
れることにより、素子構造が複雑化すると共に多くの制
約が生ずる。さらに、カンチレバーの作製にあたって、
複雑な製造工程が必要となり困難を伴い、実際に作製可
能であるとしても生産コスト等に問題を残すことが考え
られる。本発明はこのような従来技術の問題に鑑みて、
二酸化珪素、金属等の種々の材料で作られたカンチレバ
ーを提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、変位検出
系として薄膜型変位センサーを用いることにより、小型
化できることを着想した。そして、この薄膜型変位セン
サーをカンチレバー上に設けて一体化することにより、
大きなサンプルでもカンチレバーを走査して測定できる
こと、及びカンチレバーの材料が限定されず素子構成が
複雑化しないことを見い出し、本発明を成すに至った。
【0012】よって本発明は、可撓性プレート及びその
先端付近に固定された針状チップからなるカンチレバー
において、前記プレート上に、下部電極、圧電または電
歪特性を持つ中間層及び上部電極からなる薄膜型変位セ
ンサーを取り付けたことを特徴とするカンチレバーを提
供するものである。下部電極、中間層及び上部電極は前
記可撓性プレート上に、蒸着法またはスパッタリング法
で順次形成され、中間層は、上部電極及び下部電極を使
ってポーリングされている。
【0013】
【作用】本発明では、下部電極、圧電または電歪特性を
持つ中間層、上部電極からなる薄膜型変位センサーを可
撓性プレート上に形成し、歪みによる分極電荷を感知す
るカンチレバーとしたところに特徴がある。なお、本発
明においては、AFMや走査型トンネル顕微鏡(Scann
ing Tunnelling Microscope :STM)に用いられる
カンチレバー上に薄膜型変位センサーを設けたが、本発
明の薄膜型変位センサーは、マイクロマシン等の他の微
小システムにおいても、変位センサー、歪センサー等の
変位検出系として使用することが可能である。
【0014】図1に、本発明のカンチレバーの構成の一
態様を示し、本発明の作用を説明する。探針がサンプル
原子から斥力あるいは引力を受けることによりカンチレ
バーが屈曲する。圧電または電歪の特性を持った材料か
らなる薄膜が可撓性プレート内で最大の応力を生ずるプ
レートの根本部分表面に上・下部電極と共に形成され、
探針の変位に伴い最大の変位を受けるようになる。図1
では可撓性プレートの上部表面に圧電・電歪材料からな
る薄膜型変位センサーを形成してあるが、下部表面に形
成しても同じ効果が得られる。中間層として圧電材料を
使用した場合、薄膜形状であるため、上・下電極を使っ
て簡単にポーリングでき、このポーリング方向と垂直と
なる方向の可撓性プレートの屈曲に伴い分極電荷が中間
層の表面に生ずる(圧電定数d31で示される現象)。電
歪材料を中間層として用いた場合にも同様にして分極が
生ずる。この分極電荷を電極を通して計測することによ
り、探針(針状チップ)の変位量を知ることができる。
【0015】このような変位センサーの能力を最大限に
生かすには、高い圧電定数あるいは電歪定数を持った材
料を使うことが望ましく、チタン酸ジルコニウム酸塩−
酸化ランタン固溶体、ニオブ酸マグネシウム酸鉛−チタ
ン酸鉛固溶体は、それぞれの代表的材料である。さら
に、圧電材料であるチタン酸バリウムも変位センサーの
中間層の材料として優れている。また、下部電極には薄
膜形成時の熱処理に耐えること、カンチレバー材料と強
固に結合することなどが要求されるため、白金を主材料
とし、さらにこれら2つの条件に関して特性を向上させ
るため、チタンあるいはタンタルを白金と共に用いるの
が望ましい。このような微小な薄膜型変位センサーは、
可撓性プレートの材料の如何によらずプレート上に形成
することができる。
【0016】
【実施例1】図1に示すような構成で、以下に示す作製
方法により可撓性プレートを二酸化珪素、薄膜型変位セ
ンサーの中間層をチタン酸ジルコニウム酸鉛を使って作
製する。 〔カンチレバーの作製〕二酸化珪素でできたカンチレバ
ーは、微細加工とSiの異方性エッチングを利用した従来
の方法(たとえば、T.R.Albrecht and C.F.Quate : J.A
ppl.Phys 62, 2599 )により作製した。 〔薄膜型変位センサーの作製〕上記カンチレバー上に、
真空槽中において常温でAr−酸素混合ガス(9:1)圧
力2×10-3Torrにおいて、まず金属タンタルをターゲッ
トとするスパッタリング法により50Å程度のタンタル緩
衝層を形成し、さらに白金をターゲットとして同様の条
件下で5000Å程度の白金電極層を形成する。次に、真空
槽中、酸素ガス圧力10-4Torr以下においてチタン酸ジル
コニウム酸鉛焼結体をターゲットとするスパッタリング
法により白金電極上に1μmの中間圧電層を形成する。
最後に、酸素ガス圧力10-5Torr以下において、蒸着法に
より上部電極となる金薄膜を形成する。
【0017】この後、金薄膜上にレジスト膜を形成し、
露光装置により露光、現像を行ないセンサー形成部以外
のレジスト膜を除去する。続いて加速電圧 500V、入射
角0度、イオン電流密度1mA/cm2 の条件でアルゴ
ンガスによるエッチングを行ない、上、下部電極、及び
中間圧電層を除去する。最後に、残りのレジスト膜を除
去し、図1に示した薄膜変位センサーを設けたカンチレ
バーを得る。リード線は、図1には示していないが、ア
ルミ等の金属を使い、通常の方法で行なう。
【0018】カンチレバーの形状は、長さ(l1 ) 100
μm、幅(w1 )20μm、厚さ(t 1 )2μmである。
圧電薄膜の形状は、長さ(l2 )10μm、幅(w2 )20
μm、厚さ(t2 )1μmとし、探針先端の変位(d)
が1nmとすると、強誘電薄膜部に生ずる応力(σ)は
概算として、
【0019】
【数1】
【0020】で与えられ、これに対して
【0021】
【数2】
【0022】で示される分極電荷が生ずる。ここで、E
はシリコン上に成膜された二酸化珪素膜のヤング率、d
31はチタン酸ジルコニウム酸鉛の31で示される横振動
方向の圧電定数である。この分極電荷は、材料定数であ
るEとd31によって変化はするものの、強誘電薄膜の両
電極間に約1mVの電位差を与える。この誘起電圧に対
して音波診断用のソナー等に使われる通常の信号処理を
行えば、変位量を得ることが出来る。
【0023】図1に示されるように、本発明の薄膜型変
位センサーは非常に簡単な構成を持っており、センサー
部自体がカンチレバーあるいはカンチレバーの一部とな
る必要がないため、本実施例で示した酸化珪素薄膜で作
られた可撓性プレートのみならず、種々の材料で作られ
た可撓性プレートにのせて変位センサとして使用するこ
とができる。
【0024】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、どのよ
うな材料でできたカンチレバーに対してもこれと一体化
した変位センサーを設けることができる。特に、本発明
を原子間力顕微鏡に適用した場合、力検出カンチレバー
上方空間が光源および光検出部から開放されることか
ら、力検出カンチレバーと被測定物との位置合わせが極
めて容易となり、操作性を向上させる上、光学顕微鏡に
よる被測定物の観察を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るカンチレバーの断面概略図であ
る。
【図2】 従来のAFMの原理の概念図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−72504(JP,A) 特開 平2−268240(JP,A) 特開 平4−111776(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 7/00 - 7/34 G01B 21/30 G01N 13/16 G01L 5/16

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】可撓性プレートとその先端付近に固定され
    た針状チップとからなるカンチレバーにおいて、前記可
    撓性プレート上に、下部電極、圧電または電歪特性を持
    つ中間層、及び上部電極をスパッタリング法または蒸着
    法で順次形成して成り、且つ前記上部電極及び前記下部
    電極を使って前記中間層がポーリングされている薄膜型
    変位センサーを取りつけ、前記中間層の表面に生ずる分
    極電荷を感知することを特徴とするカンチレバー。
  2. 【請求項2】請求項1に係るカンチレバーにおいて、前
    記中間層がチタン酸ジルコニウム酸鉛−酸化ランタン固
    溶体であることを特徴とするカンチレバー。
  3. 【請求項3】請求項1に係るカンチレバーにおいて、前
    記中間層がニオブ酸マグネシウム酸鉛−チタン酸鉛固溶
    体であることを特徴とするカンチレバー。
  4. 【請求項4】請求項1に係るカンチレバーにおいて、前
    記中間層がチタン酸バリウムであることを特徴とするカ
    ンチレバー。
  5. 【請求項5】請求項1に係るカンチレバーにおいて、前
    記下部電極が白金とチタン、あるいは白金とタンタルで
    構成されることを特徴とするカンチレバー。
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JP3608009B2 (ja) * 1995-07-05 2005-01-05 株式会社ニコン 原子間力顕微鏡
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KR102391558B1 (ko) 2017-07-07 2022-04-27 다이낑 고오교 가부시키가이샤 진동 센서 및 압전 소자
CN114923405B (zh) * 2022-04-09 2023-07-28 南昌大学 一种通过范德华外延法探测薄膜挠曲电效应的装置及方法

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