JP3260644B2 - カンチレバーおよびその製造方法 - Google Patents

カンチレバーおよびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はカンチレバーおよび
その製造方法に係り、特に、走査型原子間力顕微鏡（Ａ
ＦＭ : Atomic Force Microscope）に代表される走査型
プローブ顕微鏡に好適なカンチレバーおよびその製造方
法に関する。さらに具体的にいえば、試料表面に近接さ
れて走査される探針を自由端に設け、探針と試料表面と
の間に発生する力によって梁部が撓むカンチレバーおよ
びその製造方法に関する。また、液中に存在する試料表
面を観察する際にカンチレバーの光テコ反射部を液中に
没すること無く観察することに関する。
【０００２】
【従来の技術】走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）では、
片持ち梁式に支持された梁部の自由端に探針を設けたカ
ンチレバーが走査プローブとして利用される。このよう
な構成のカンチレバーでは、探針を試料表面で走査する
と試料表面と探針との間に原子間力に基づく引力または
斥力が発生するので、この原子間力をカンチレバーの撓
み量として検出することで試料表面の形状が測定でき
る。
【０００３】従来のＡＦＭ用カンチレバーは、例えば特
開平５−１９６４５８号公報に記載され、図５(a) にそ
の概要を示したように全体が直線的な形状であり、探針
１が形成される自由端３０ｂおよび顕微鏡本体に固定さ
れる固定端３０ｃは共に梁部３０ａの延長線上にあっ
た。ところが、このような直線形状のカンチレバー３０
を走査プローブ用に用いた場合、梁部３０ａが試料表面
に対して平行となる姿勢で配置してしまうと、試料表面
に大きな凹凸があったときに梁部３０ａが試料表面に接
触し、探針１が試料表面を正確にトレースすることがで
きなくなる場合がある。そこで、試料表面に大きな凹凸
があっても梁部３０ａが試料２０に接触することなく探
針１が試料表面を正確にトレースできるようにするため
に、従来技術では同図(b) に示したように、カンチレバ
ー３０は試料表面に対して斜めに取り付けられていた。
【０００４】また、従来のAFM において液中にある試料
を測定しようとする場合には、カンチレバー全体を液に
侵漬する必要があり、光テコの反射面であるレバー部も
液中にあるため、レーザーの位置合わせが困難であった
り、屈折や吸収さらに液面の変化によって、反射位置が
変化してしまい、反射強度が弱くなったり正しい測定が
できないなどの問題点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記したように、カン
チレバー３０が試料表面に対して斜めに取り付けられる
と、探針１も試料表面に対して傾いて近接することにな
る。図６は、探針１が試料表面に対して傾いて近接した
場合の原子間力の作用を模式的に示した図であり、この
ような姿勢では、原子間力が探針１に均一に加わらな
い。このため、カンチレバー３０の撓み量は探針１と試
料２０との距離を正確に代表することができず、感度が
低下したり測定誤差が大きくなってしまうという問題が
あった。また液中の試料を測定する場合、図８の様にカ
ンチレバー全体が液中に没してしまうため、光テコ検出
の為のレーザーが液面での反射や液中での吸収などによ
って、レーザーの反射強度が低下したり反射位置がずれ
たりして正しい検出ができなかったり、高感度の検出が
できなかった。
【０００６】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点を解決し、自由端に形成された探針が試料表面に垂直
に近接されて走査されてもカンチレバー本体が試料表面
に接触することなく、探針が試料表面を正確にトレース
できるようにしたカンチレバーおよびその製造方法を提
供することにある。さらに本発明をもって液中での試料
観察時にカンチレバーのレーザー反射面が液中に没しな
い為、液中試料の正確な観察を可能にする様にした、カ
ンチレバー及びその製造方法。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明では、片持ち梁式に支持された梁部の自
由端に探針が形成されたカンチレバーおよびその製造方
法において、以下のような手段を講じた点に特徴があ
る。
【０００８】(1) 探針が試料表面に垂直に近接された状
態では梁部が試料表面に対して予定の角度だけ傾斜する
ように、梁部の前記固定端と自由端との間の少なくとも
一か所に屈曲部を設けた。 (2) 半導体基板の表面の一端および裏面の他端のそれぞ
れに、両者の投影が重ならないように予定の間隙を設け
て一対の保護膜を形成する工程と、保護膜をマスクとし
てシリコン基板の表面および裏面から予定の深さまで異
方性エッチングを行い、前記一対の保護膜下に残った２
つの支持部および当該各支持部を結ぶように前記間隙領
域に残った梁部からなる非直線形状のカンチレバーを形
成する工程と、一方の支持部の表面に保護膜を形成する
工程と、前記保護膜下の支持部の表面を等方性エッチン
グでアンダーカットして探針を形成する工程を設けた。
【０００９】(3) シリコン基板の表面を異方性エッチン
グで凹形状にし、凹部の底辺を屈曲したカンチレバーの
レバー部にする工程とカンチレバーとその外周部との間
隙を数μm にする工程と、レバー部の裏面に等方性エッ
チングで探針を形成する工程を設けた。
【００１０】上記した構成(1) のカンチレバーによれ
ば、探針を試料表面に垂直に近接させてもカンチレバー
本体と試料表面との接触が防止されるので、探針は試料
表面を正確にトレースできるようになる。 上記した構
成(2) 、構成(3) のカンチレバーの製造方法によれば、
機械加工のような複雑な研磨工程を必要とすることな
く、化学的なエッチング工程だけで屈曲部を有する非直
線形状のカンチレバーを形成できるようになる。
【００１１】上記した構成(3) のカンチレバーによれ
ば、液中の試料を観察する際に、カンチレバー全体を液
中に没する必要が無いため、位置検出のレーザーが液面
での反射や吸収によって減衰したり、乱反射によって探
針と試料との相互作用の変位以上のレーザー変位が起こ
らない為、正確な液中観察が可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を詳
細に説明する。図１は、本発明の一実施形態であるカン
チレバーの側面図であり、前記と同一の符号は同一また
は同等部分を表している。
【００１３】本発明のカンチレバー１０はシリコン基板
をエッチングして構成されるもので、屈曲部５１、５２
を境に自由端側支持部１０ｂ、梁部１０ａ、および固定
端側支持部１０ｃの３つの領域を有している。自由端側
支持部１０ｂには探針１が形成され、固定端側支持部１
０ｃは顕微鏡本体に固定される。自由端側支持部１０ｂ
と梁部１０ａとは屈曲部５１において約５５. ７°だけ
屈曲し、梁部１０ａと固定端側支持部１０ｃとは屈曲部
５２において約１２４. ３°だけ屈曲している。自由端
側支持部１０ｂおよび固定端側支持部１０ｃは同一平面
上にはないが平行であり、その表面には＜１００＞平面
が露出している。また、梁部１０ａの表面には＜１１１
＞平面が露出している。 このような非直線形状のカン
チレバーによれば、試料表面に比較的大きな凹凸があっ
ても梁部１０ａが試料表面と接触することなく、探針１
を試料表面に垂直に近接させることができる。図２は、
探針１が試料表面に垂直に近接された際の原子間力の作
用を模式的に示した図であり、このような姿勢では、原
子間力が探針１に均一に加わるので、カンチレバー３０
の撓み量は探針１と試料２０との距離を正確に代表する
ことができる。
【００１４】図３、４は、上記したように２つの屈曲部
を有する非直線形状のカンチレバーの製造方法を示した
断面図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分
を表している。初めに、＜１００＞平面のシリコン基板
３の表面の一端および裏面の他端に酸化膜等のマスク６
１、６２をそれぞれ形成する［同図(a) ］。マスク６
１、６２は、両者の投影が重ならないように予定の間隙
ｄを設けて配置される。この際の間隙ｄは、基板材質
（本実施形態ではシリコン）の結晶構造、基板の厚み、
および梁部３０ａとなる部分の厚み等に基づいて決定さ
れる。
【００１５】次いで、前記マスク６１をマスクとして前
記シリコン基板３の表面を予定の深さまで異方性のウエ
ットエッチングで蝕刻する［同図(b) ］。エッチング溶
剤としては、６０〜８０℃で４０重量％の水酸化カリウ
ム（ＫＯＨ）水溶液や８０〜９０℃で２０重量％の水酸
化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液などが
利用できる。このようなエッチング溶剤では、＜１００
＞平面が＜１１１＞平面よりもはるかに早くエッチング
され、マスク６１は実質的にエッチングされない。した
がって、この異方性エッチングはマスク６１の端部を基
準にした＜１１１＞平面で実質的に止まり、梁部３０ａ
となる間隙領域では＜１１１＞平面が露出するようにな
る。
【００１６】シリコン基板の裏面も前記表面と同様に異
方性のウエットエッチングによって蝕刻すると、間隙領
域ではマスク６２の端部を基準にした＜１１１＞平面が
露出する［同図(c) ］。本実施形態のようにシリコン基
板３を用いた場合、＜１００＞平面と＜１１１＞平面と
は約５５. ７°（約１２４. ３°）だけ屈曲する。
【００１７】次いで、自由端側支持部１０ｂの表面にマ
スク６３を形成し［図４(d) ］、探針１の高さに応じて
マスク６３下のシリコンをドライエッチングによりアン
ダーカットして探針１を形成する［同図(e) ］。最後に
マスク６３を除去してカンチレバー１０を完成する。
【００１８】本実施形態によれば、機械加工のような複
雑な研磨工程を必要とすることなく、湿式および／また
は乾式のエッチング工程だけで、屈曲部を有する非直線
形状のカンチレバーを形成できるようになる。図７（a
）及び（b ）は液中の試料を観察する際に有効な形状
を持つ本発明によるカンチレバーである。前記図１のカ
ンチレバーの外周部を残し凹形状にし、カンチレバーと
外周部との隙間を１〜１００μm 程度の小さくすること
により表面張力による水の進入を回避しつつ図９に示す
通り探針のみを液中に浸して液中の試料表面を観察する
事を可能にすることができる。
【００１９】なお、上記した各実施形態ではシリコン基
板をエッチングしてカンチレバーを形成するものとして
説明したが、本発明はこれのみに限定されず、水晶やガ
リウム砒素基板をエッチングすることによって同様に形
成することができる。
【００２０】
【発明の効果】本発明によれば、以下のような効果が達
成される。 (1) 本発明のカンチレバーでは、探針が形成される自由
端と固定端との間に屈曲部が設けられ、探針が試料表面
に垂直に近接された状態では梁部が試料表面に対して予
定の角度だけ傾斜するので、探針を試料表面に垂直に近
接させてもカンチレバー本体と試料表面との接触が防止
され、探針は試料表面を正確にトレースできるようにな
る。 (2) 本発明の製造方法によれば、機械加工のような複雑
な研磨工程を必要とすることなく、湿式および／または
乾式のエッチング工程だけで、屈曲部を有する非直線形
状のカンチレバーを形成できるようになる。 (3) 本発明のカンチレバーでは、液中にある被観察物を
カンチレバー全体を液中に浸す事なく、探針のみを液中
に没することのみで観察することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態であるカンチレバーの側
面図である。
【図２】 探針が試料表面に垂直に近接された際の原子
間力の作用を模式的に示した図である。
【図３】 本発明の一実施形態である非直線形状のカン
チレバーの製造方法を示した図（その１）である。
【図４】 本発明の一実施形態である非直線形状のカン
チレバーの製造方法を示した図（その２）である。
【図５】 従来の直線形状のカンチレバーの構造および
使用方法を示した図である。
【図６】 従来の直線形状のカンチレバーの問題点を説
明した図である。
【図７】 本発明の一実施形態である液中観察用カンチ
レバーの側面・平面図である。
【符号の説明】
１ 探針 ２０ 試料 １０ カンチレバー １０ｂ 自由端側支持部 １０ａ 梁部 １０ｃ 固定端側支持部 ５１、５２ 屈曲部 ５３ 液体 ５４ 間隙 ５５ 外周部
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−297001（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−256643（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−194155（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−22809（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−21845（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−105755（ＪＰ，Ａ) 国際公開95／3561（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G01B 21/30 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 探針が、固定端を片持ち梁式に支持され
    た梁部の自由端に形成されており、また探針が試料表面
    に垂直に近接された状態では梁部が試料表面に対して予
    定の角度だけ傾斜するように、梁部の前記固定端と自由
    端との間の二か所に屈曲部が形成されると共に、前記固
    定端と前記自由端とがほぼ平行に形成されるカンチレバ
    ーであって、前記カンチレバーは基板に形成された上広
    がりの凹部の底部から前記基板の外周部に渡って連続的
    に形成された間隙によって形成されていて、前記自由端
    が前記凹部の底部、前記梁部が前記底部続く前記凹部の
    側部 また前記固定端が前記側部に続く前記基板外周部
    の一部を用いて形成されており、前記二か所の屈曲部は
    前記低部と前記側部、及び前記側部と前記固定端との間
    でそれぞれ形成されていることを特徴とするカンチレバ
    ー。
  2. 【請求項２】 前記カンチレバーは半導体基板をエッチ
    ングして形成され、前記梁部の表面は（１１１）平面で
    あり、前記固定端および自由端の表面は（１００）平面
    である請求項１記載のカンチレバー。
  3. 【請求項３】 前記間隙の幅が数μmである請求項１記
    載のカンチレバー。
  4. 【請求項４】 片持ち梁式に支持された梁部の自由端に
    探針が形成されたカンチレバーの製造方法において、 半導体基板の表面の一端および裏面の他端のそれぞれ
    に、両者の投影が重ならないように予定の間隙を設けて
    一対の保護膜を形成する工程と、 前記保護膜をマスクとして前記シリコン基板の表面およ
    び裏面から予定の深さまで異方性エッチングを行い、前
    記一対の保護膜下に残った２つの支持部および当該各支
    持部を結ぶように前記間隙領域に残った梁部からなる非
    直線形状のカンチレバーを形成する工程と、 一方の支持部の表面に保護膜を形成する工程と、 前記保護膜下の支持部の表面を異方性エッチングでアン
    ダーカットして探針を形成する工程とからなる カンチレ
    バーの製造方法。
  5. 【請求項５】 前記半導体基板の表面は（１００）平面
    であり、前記シリコン基板の表面および裏面に対する異
    方性エッチングでは、（１００）平面が （１１１）平面
    よりも早くエッチングされる請求項３記載のカンチレバ
    ーの製造方法。
  6. 【請求項６】 前記基板の表面及び裏面から予定の深さ
    まで異方性エッチングを行う際に、前記基板に凹部を設
    けると共に、前記凹部の底部、側部及び外周部に渡って
    間隙を形成することによりカンチレバーを形成する工
    程、及び前記凹部の底部裏面に探針を設ける工程とを有
    する請求項４記載のカンチレバーの製造方法。
  7. 【請求項７】 原子間力顕微鏡観察において水中にある
    被観察物を観察する際に、観察時に前記請求項１記載の
    凹部の裏面にある探針を水中に没し、探針の裏側のカン
    チレバーは大気中にあることを特徴とするカンチレバー
    の使用方法。
  8. 【請求項８】 前記請求項１から７にいずれか記載のカ
    ンチレバーを用い試料表面の形状、機能を検出する走査
    型プローブ顕微鏡。
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