JP3433782B2 - 走査プローブ顕微鏡およびその半導体歪センサならびにその製造方法 - Google Patents

走査プローブ顕微鏡およびその半導体歪センサならびにその製造方法

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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、走査プローブ顕微
鏡およびその半導体歪センサならびにその製造方法に係
り、特に、走査型原子間力顕微鏡(AFM : Atomic Fo
rce Microscope)に好適な走査プローブ顕微鏡およびそ
の半導体歪センサならびにその製造方法に関する。さら
に具体的にいえば、半導体基板で構成したカンチレバー
の撓み部分にpn接合を形成し、カンチレバーの撓み量
をpn接合部分でのダイオード特性の変化として検出で
きるようにした半導体歪センサならびにその製造方法、
およびこの半導体歪センサをカンチレバーとして採用し
た走査プローブ顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の走査型原子間力顕微鏡(AFM)
では、探針がカンチレバーの自由端に取り付けられ、試
料表面の凹凸に応じて探針が上下動する際に生ずるカン
チレバーの撓み量は、光学インターフェロメトリや光学
偏光技術によって検出されていた。しかしながら、これ
らの光学的な検出方法では構成が複雑化して調整も難し
いという問題があった。一方、近年になって撓み量や加
速度を検出するセンサとして、小型、軽量であり、撓み
量を電気信号として直接出力し得る特徴を持った半導体
歪センサが広く用いられるようになり、これがAFMの
カンチレバーにも採用されるようになってきた。
【0003】このようなカンチレバー型半導体歪センサ
は、例えば図13に示されているように、半導体基板の
一部2を「コの字」形に選択蝕刻して形成された自由端
1aを有する片持ばりアーム部(梁部)1と、片持ばり
アーム部1の固定端近傍(根元)に形成されたゲージ部
3とにより構成され、ゲージ部3は、自由端1aの撓み
量に応じて当該部分に生じる応力歪を検出し、これを電
気信号に変換して出力する。
【0004】従来の半導体歪センサでは、例えば特開平
5−196458号公報に記載されているように、ゲー
ジ部3がピエゾ抵抗体で構成されていた。ピエゾ抵抗体
は応力が加わると電気抵抗が変化することから、撓み量
の検出は、ピエゾ抵抗体の抵抗変化をホイートストンブ
リッジ等の抵抗ブリッジ回路で測定することによって行
われていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記したように、カン
チレバーの撓み量をピエゾ抵抗体に加わる応力歪として
検出しようとすると、ピエゾ抵抗体では歪量に対する抵
抗変化率、換言すれば電圧あるいは電流変化率が小さ
く、かつ測定感度が低いので、その検出のためには複雑
な抵抗ブリッジ回路が必要になるのみならず、抵抗ブリ
ッジを構成する各抵抗体の調整を極めて正確に行わなけ
ればならないという問題があった。 本発明の目的は、
上記した従来技術の問題点を解決し、カンチレバーの撓
み量を簡単な構成で、かつ大きな信号変化として出力す
る半導体歪センサならびにその製造方法、およびこの半
導体歪センサをカンチレバーとして採用した走査プロー
ブ顕微鏡を提供することにある。
【0006】
【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、以下のような手段を講じた。 (1) 本発明の半導体歪センサは、自由端および固定端を
有するカンチレバーと、前記カンチレバーの、自由端の
変位によって応力歪が生じる領域に形成されたpn接合
と、前記pn接合を形成するp型領域およびn型領域の
それぞれに形成されたコンタクト領域とによって構成さ
れる。(2) 本発明の半導体歪センサの製造方法は、第1
導電型の半導体基板を蝕刻して自由端および固定端を有
するカンチレバーを形成する工程と、前記カンチレバー
部の、前記自由端の変位によって応力歪が生じる領域が
露出するようにマスクを形成する工程と、前記露出部分
の表面に第2導電型の不純物を導入し、前記応力歪が生
じる領域にpn接合を形成する工程とからなる。 (3) 本発明の走査プローブ顕微鏡は、自由端の変位によ
って応力歪が生じる領域にpn接合が形成された片持ば
り式の半導体歪センサを走査プローブとして用いた。
【0007】上記した構成(1) によれば、カンチレバー
の自由端が撓むとpn接合部分に応力歪が発生し、当該
pn接合の電気的特性(ダイオード特性)が大きく変化
するので、これを適宜の検出回路で検出すれば自由端の
撓み量を測定できる。上記した構成(2) によれば、自由
端の変位によって応力歪が生じる領域にpn接合が形成
された片持ばり式の半導体歪センサを簡単に製造でき
る。
【0008】上記した構成(3) によれば、カンチレバー
の歪み量をpn接合の電気的特性の変化としてとらえる
ことができるので、試料の表面形状を高感度で観察でき
るようになる。
【0009】
【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(a) は、本発明の第1実施形態であ
るカンチレバー型半導体歪センサの平面図であり、同図
(b) は同図(a) のA−B線での断面図である。 本発明
のカンチレバー10は、U字状の片持ばりアーム部10
aおよび支持部10bによって構成され、片持ばりアー
ム部10aの先端(自由端)10cにはAFM用の探針
(図示せず)が設けられている。本実施形態では、カン
チレバー10はN型基板31によって構成され、そのU
字状部分の内側表面にはP-拡散領域32が形成されて
いる。P-拡散領域32とN型基板31との境界にはp
n接合50が形成されるため、本実施形態では、U字状
の片持ばりアーム部10aに沿ってpn接合50がU字
状に形成されることになる。支持部10bでは、N型基
板領域内にはN+コンタクト領域21が形成され、P-
散領域32内にはP+コンタクト領域22が形成されて
いる。 このような構成において、探針が試料表面で走
査されると、カンチレバー10の片持ばりアーム部10
aは支持部10bを支点として試料の表面形状に応じて
撓むため、アーム部10aに形成されたpn接合50に
応力歪が生じ、その部分でのダイオード特性が変化す
る。
【0010】図2は、応力歪によってpn接合のダイオ
ード特性が変化する様子を示した図であり、同図(a) は
順バイアス時、同図(b) は逆バイアス時の特性を示して
いる。同図から、順バイアス時には、pn接合に応力歪
が生じると順方向電流の流れ始める印加電圧が低下し、
印加電圧に対する順方向電流I0 の割合が増加すること
が判る。また、逆バイアス時には、歪が生じるとブレー
ク電圧が低下し、リーク電流が増加することが判る。
【0011】また、図3,4,5は、それぞれpn接合
のI−V特性、電流I−歪量特性、および電圧V−歪量
特性を、ピエゾ抵抗体のそれと比較して示した図であ
り、歪量に対する電流I,電圧Vの変化率はpn接合が
ピエゾ素子よりも大きく、電圧Vに対する電流Iの変化
率もpn接合がピエゾ素子よりも大きい。したがって、
本実施形態のようにカンチレバー10の撓み部分にpn
接合を形成し、pn接合のダイオード特性の変化を検出
するようにすれば、歪量の検出感度が向上し、ホイート
ストンブリッジ等の精密なブリッジ回路を用いる事な
く、カンチレバー10の撓み量を正確に測定できるよう
になる。
【0012】図6は、前記図1に関して説明した構造の
カンチレバー型半導体歪センサの製造方法を示した図で
あり、特に図1のC−D線での断面構造を示している。
初めに、N型半導体基板31を図1のカンチレバー形状
に蝕刻し、その一方の全表面にレジスト81を塗布す
る。次いで、公知のフォトレジスト技術を利用して前記
図1のP-領域32に相当する部分のレジストのみを選
択的に除去してマスクを形成し、その表面からP型不純
物(例えば、リン)をイオン打ち込みし[同図(a) ]、
さらに熱拡散を行ってP-領域32を形成する[同図(b)
]。
【0013】次いで、再び全面にレジスト82を塗布
し、コンタクト領域22に相当する部分を開口する。次
いで、P型不純物をイオン打ち込みし[同図(c) ]、こ
れを拡散させてP+コンタクト領域22を形成する[同
図(d) ]。次いで、再び全面にレジスト83を塗布した
後にコンタクト領域21に相当する部分を開口し、前記
と同様にして今度はN型不純物(例えば、ボロン)をイ
オン打ち込みし[同図(e) ]、N+コンタクト領域21
を形成する。最後に全面にパッシベーション膜(図示せ
ず)を形成し、各コンタクト領域21,22を露出させ
てアルミ電極(図示せず)を接続する。
【0014】図7は、本発明の第2実施形態であるカン
チレバーの平面図、同図(b) は同図(a) のA−B線での
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。本実施形態は、P-領域32を実質的に
カンチレバー10の表面全体に形成するようにした点に
特徴がある。すなわち、上記した第1実施形態では、p
n接合50をカンチレバー10の表面の一部のみに形成
したためにpn接合の面積が比較的小さい。このため、
リーク電流は少なくできる反面、高い感度は得にくいと
いう特徴がある。しかしながら、この第2実施形態で
は、pn接合50がカンチレバー10の全面に形成され
ているため、リーク電流は前記第1実施形態に比べて若
干多くなるが高い感度が得られるという利点がある。
【0015】次に、本発明の第3実施形態の平面図を図
8に示す。なお、前記と同一の符号は同一または同等部
分を表している。本実施形態は、pn接合がカンチレバ
ー10の端面に露出しないように、P-領域32をカン
チレバー10の中央部に帯状に設けるようにした点に特
徴がある。一般に、リーク電流はpn接合の端面近傍で
生じるが、本実施形態によれば、pn接合50がカンチ
レバー10の端面に露出していないので、製造工程は多
少繁雑化するがリーク電流を抑えながら高い感度が得れ
られるようになる。
【0016】次に、本発明の第4実施形態の平面図を図
9に示す。本実施形態は、カンチレバー10が撓んだ時
にU字状部の全体は歪まず、歪量は片持ばりアーム部1
0aと支持部10bとの境界部分すなわちカンチレバー
10の付根部分が最も大きくなり、それ以外の部分では
小さいことに着目してなされたものである。本実施形態
は、図示されているように、P-領域32をカンチレバ
ー10が撓んだときに歪量が最も大きくなる前記付根部
分のみに形成するようにした点に特徴がある。本実施形
態によれば、歪量の検出に寄与しない部分にはpn接合
が形成されないので、リーク電流を抑えながら高い感度
が得れられるようになる。
【0017】次に、本発明の第5実施形態の平面図を図
10に示す。本実施形態は前記第4実施形態と同様に、
カンチレバー10の付根部分のみにP-拡散領域32を
形成すると共に、リーク電流を低減するために、P-
散領域32をカンチレバー10の中央部に帯状に設けた
点に特徴がある。次に、本発明の第6,7実施形態の平
面図を図10,11に示す。この第6,7実施形態は、
それぞれ前記第4,5実施形態のP-拡散領域32を、
前記付け根部分の一方のみに形成するようにした点に特
徴がある。これらの実施形態によれば、検出感度が若干
低下するもののリーク電流を大幅に低減できる。
【0018】なお、上記した各実施形態では、N型基板
内31にP-拡散領域32を形成してpn接合を得るも
のとして説明したが、これとは逆に、P型基板内にN-
領域を形成することでpn接合を得るようにしても良
い。ところで、上記した図8、10、12に関して説明
した各実施形態のように、pn接合がカンチレバー10
の端面に露出しないようにP-拡散領域32をカンチレ
バー端部から離間して形成する構成では、図14に示し
たように、pn接合に逆バイアスが印加されて空乏層5
0が発生し、これが基板端部に達してしまうと、リーク
電流が増大して測定感度が低下してしまうという新たな
問題が生じ得る。そこで、次に説明する本発明の各実施
形態では、このような空乏層の広がりを防止してリーク
電流の増加を抑えている。
【0019】図15は、本発明の第8実施形態の平面図
およびそのA−B線での断面図であり、特に、自由端の
変位に応じて撓む梁部近傍を拡大して示している。本実
施形態では、同図(a) に示したように、P-領域32を
カンチレバー10の梁部の中央に帯状に設けてpn接合
がカンチレバー10の端面に露出しないようにすると共
に、カンチレバー10の端部とP-領域32との間で露
出したN型基板31の表面に、空乏層の広がりを阻止す
るためのN+ガード層61を設けた点に特徴がある。な
お、P-領域32およびN+ガード層61の表面には、そ
れぞれコンタクト電極32c、61cが形成されてい
る。
【0020】このような構成によれば、P-領域32と
N型基板31との間に逆バイアスが印加されてpn接合
部分に空乏層が発生しても、その横方向への広がりはN
+ガード層61によって阻止され、空乏層がカンチレバ
ー10の端部に到達してしまうことはない。したがっ
て、リーク電流の増加が抑えられて測定感度を高く保つ
ことができる。なお、前記N+ガード層61は、同図(b)
に示したように、N型基板31の表面のみに形成して
も良いし、あるいは同図(c) に示したように、基板内部
で連続してP-領域32を包み込むように形成しても良
い。
【0021】図16は、本発明の第9実施形態の平面図
およびそのA−B線での断面図であり、前記と同一の符
号は同一または同等部分を表している。本実施形態で
は、同図(a) に示したように、P-領域32をカンチレ
バー10の梁部の中央に帯状に設けてpn接合がカンチ
レバー10の端面に露出しないようにすると共に、P-
領域32を囲むようにN+ガード層62を設けた点に特
徴がある。P-領域32およびN+ガード層62の表面に
は、それぞれコンタクト電極32c、62cが形成され
ている。
【0022】本実施形態でも、空乏層の横方向への広が
りはN+ガード層62によって阻止され、カンチレバー
10の端部にまで達成することがないので、リーク電流
の増加が抑えられて測定感度を高く保つことができる。
なお、前記N+ガード層62も、同図(b) に示したよう
に、N型基板31の表面のみに形成しても良いし、ある
いは同図(c) に示したように、基板内部で連続してP-
領域32を包み込むように形成しても良い。
【0023】図17は、本発明の第10実施形態の平面
図およびそのA−B線での断面図であり、前記と同一の
符号は同一または同等部分を表している。本実施形態で
は、同図(a) に示したように、P-領域32をカンチレ
バー10の左右の梁部の中央部にそれぞれ帯状に設けて
pn接合がカンチレバー10の端面に露出しないように
すると共に、P-領域32を三方から囲むようにN+ガー
ド層63を設けた点に特徴がある。P-領域32および
+ガード層63の表面には、それぞれコンタクト電極
32c、63cが形成されている。
【0024】本実施形態でも、空乏層の横方向への広が
りはN+ガード層63によって阻止され、カンチレバー
10の端部にまで達成することがないので、リーク電流
の増加が抑えられて測定感度を高く保つことができる。
なお、前記N+ガード層63も、同図(b) に示したよう
に、N型基板31の表面のみに形成しても良いし、ある
いは同図(c) に示したように、基板内部で連続してP-
領域32を包み込むように形成しても良い。
【0025】図18は、本発明を適用した走査型プロー
ブ顕微鏡の構成を示したブロック図である。3次元試料
ステージ55上には試料52が載置され、試料52の上
方には、上記した構成のカンチレバー10の探針31b
が対向して配置されている。カンチレバー10に形成さ
れたpn接合のダイオード特性は測定部71で測定さ
れ、撓み量信号S1として比較器75の非反転入力端子
(+)に入力される。比較器75の反転入力端子(−)
には、例えば撓み量が0の時に差動増幅器75の出力が
0になるように、カンチレバー10の撓み量に関する基
準値が基準値発生部79から入力されている。比較器7
5から出力される誤差信号S2は制御部76に入力され
る。制御部76は、誤差信号S2が0に近付くようにア
クチュエータ駆動増幅器70を制御する。また、制御部
76の出力信号が輝度信号としてCRTへ供給される。
走査信号発生部78は、試料52をXY方向へ微動させ
るための微動信号をアクチュエータ駆動増幅器70へ供
給し、CRTへはラスタ走査信号を供給する。
【0026】
【発明の効果】上記したように、本発明によれば、以下
のような効果が達成される。 (1) 歪量に応じて電気的特性が敏感に変化するpn接合
をカンチレバーに設け、カンチレバーの撓み量をpn接
合の電気的特性の変化として検出できるようにしたの
で、カンチレバーの撓み量に対する感度が向上するのみ
ならず、後段に接続される検知回路の構成を簡単化でき
るようになる。(2) pn接合部分に発生する空乏層がカ
ンチレバーの端部まで達しないように、pn接合とカン
チレバー端部との間にガード層を設けたので、リーク電
流の増加が抑えられて測定感度を高く保つことができ
る。 (3) 本発明の半導体歪センサを走査型プローブ顕微鏡の
カンチレバーとして用いれば、カンチレバーの歪み量と
して検出される試料の表面形状をpn接合の電気的特性
の変化としてとらえることができるので、試料の表面形
状を高感度で観察できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態の平面図および断面図で
ある。
【図2】pn接合のダイオード特性を示した図である。
【図3】pn接合のI−V特性をピエゾ抵抗体と比較し
た図である。
【図4】pn接合のI−歪量特性をピエゾ抵抗体と比較
した図である。
【図5】pn接合のV−歪量特性をピエゾ抵抗体と比較
した図である。
【図6】図1のカンチレバーの製造方法を示した断面図
である。
【図7】本発明の第2実施形態の平面図および断面図で
ある。
【図8】本発明の第3実施形態の平面図および断面図で
ある。
【図9】本発明の第4実施形態の平面図および断面図で
ある。
【図10】本発明の第5実施形態の平面図および断面図
である。
【図11】本発明の第6実施形態の平面図および断面図
である。
【図12】本発明の第7実施形態の平面図および断面図
である。
【図13】従来の半導体歪センサの斜視図である。
【図14】pn接合部分に生じる空乏層の様子を示した
図である。
【図15】本発明の第8実施形態の平面図および断面図
である。
【図16】本発明の第9実施形態の平面図および断面図
である。
【図17】本発明の第10実施形態の平面図および断面
図である。
【図18】本発明を適用した走査型プローブ顕微鏡の主
要部のブロック図である。
【符号の説明】
10 カンチレバー 10a U字状の片持ばりアーム部 10b 支持部 31 N型基板 32 P-拡散領域 21 N+コンタクト領域 22 P+コンタクト領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 米国特許4422063(US,A) 国際公開94/29894(WO,A1) A.P.Friedrich,P. A.Besse,E.Fullin a nd R.S.Popovic,”La teral Backward Dio des as Strain Sens ors”,Technical Dig est of the Interna tional Electron De vices Meeting,米国, 1995年12月10日,p.597−600 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 JICSTファイル(JOIS)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 自由端および固定端を有するカンチレバ
    ーと、前記カンチレバーの自由端の変位によって応力歪
    を生じる領域に形成されたpn接合と、前記pn接合を
    形成するp型領域およびn型領域のそれぞれに形成され
    たコンタクト領域とを具備していて、前記カンチレバー
    は、前記pn接合を形成する第1導電型半導体基板と、
    前記第1導電型半導体基板の表面に露出するように形成
    された第2導電型半導体領域とで構成されており、前記
    第2導電型半導体領域は、前記カンチレバーの端部を含
    まない中央部に形成された帯状領域であって、前記第2
    導電型半導体領域と前記カンチレバーの端部との間で露
    出した前記第1導電型半導体基板の表面には、第1導電
    型高濃度半導体領域が露出していることを特徴とする半
    導体歪センサ。
  2. 【請求項2】 前記第1導電型高濃度半導体領域は、基
    板表面に露出した前記第2導電型半導体領域を基板表面
    で囲むように形成されたことを特徴とする請求項1記載
    の半導体歪センサ。
  3. 【請求項3】 前記第1導電型高濃度半導体領域は、前
    記第2導電型半導体領域を包み込むように形成されたこ
    とを特徴とする請求項1記載の半導体歪センサ。
  4. 【請求項4】 前記請求項1から3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。
JP04437297A 1996-04-18 1997-02-27 走査プローブ顕微鏡およびその半導体歪センサならびにその製造方法 Expired - Fee Related JP3433782B2 (ja)

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