JP3441928B2

JP3441928B2 - 微小力または微小電流検出用のプローブ及びその製造方法

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Publication number: JP3441928B2
Application number: JP19185197A
Authority: JP
Inventors: 康弘島田; 俊一紫藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-07-02
Filing date: 1997-07-02
Publication date: 2003-09-02
Anticipated expiration: 2017-07-02
Also published as: JPH1123586A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微小力または微小
電流検出用のプローブ及びその製造方法に関し、特に、
走査型トンネル電流顕微鏡、あるいは微小な力を検出す
る原子間力顕微鏡等に用いられる探針を有するプローブ
とその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年において、導体の表面原子の電子構
造を直接観察できる走査型トンネル顕微鏡（以下、ＳＴ
Ｍと略す）が開発され（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇｅｔａ
ｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ，４９，５７（１９
８２））、単結晶、非晶質を問わず実空間像を高い分解
能をもって測定することができるようになった。しかも
試料に電流による損傷を与えずに低電力で観測できる利
点も有し、更に大気中でも動作し、種々の材料に対して
用いることができるので、今後広範囲な応用が期待され
ている。かかるＳＴＭは金属の探針と導電性物質間に電
圧を加えて１ｎｍ程度の距離まで近づけるとトンネル電
流が流れることを利用している。この電流は両者の距離
変化に非常に敏感であり、かつ指数関数的に変化するの
で、トンネル電流を一定に保つように探針を走査するこ
とにより実空間の表面構造を原子オーダーの分解能で観
察することができる。このＳＴＭを用いた解析の対象物
は導電性材料に限られていたが、導電性材料の表面に薄
く形成された絶縁層の構造解析にも応用され始めてい
る。更に、上述の装置、手段は微小電流を検知する方法
を用いているため、媒体に損傷を与えず、かつ低電力で
観測できる利点をも有する。また、大気中での作動も可
能であるため、ＳＴＭの手法を用いて、半導体あるいは
高分子材料等の原子オーダー、分子オーダーの観察評
価、微細加工（Ｅ．Ｅ．Ｅｈｒｉｃｈｓ，Ｐｒｏｃｅｅ
ｄｉｎｇｓｏｆ４ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ
ｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｃａｎｎｉｎｇ
ｔｕｎｎｅｌｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ／Ｓｐｅｃ
ｔｒｏｓｃｏｐｙ，“８９，Ｓ１３−３）、及び情報記
録再生装置等のさまざまな分野への応用が研究されてい
る。

【０００３】また、原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭと略
す）によれば物質の表面に働く斥力、引力を検知するた
め導体、絶縁体を問わず試料表面の凹凸像が測定でき
る。このＡＦＭには片持ち梁（カンチレバー）の自由端
に探針を形成したものが用いられている。さらに、ＡＦ
Ｍプローブの探針に導電性を付与してＡＦＭとＳＴＭの
機能を同時に併せ持つプローブが作製され、探針と試料
との間に電圧を印加して試料の導電性と形状に関する情
報を同時に得たり、探針と記録媒体を接触させて探針と
記録媒体の間に電圧を印加することにより記録媒体の導
電性を変化させるメモリーの技術などが開発されてい
る。上記プローブに用いられる探針の作製方法として
は、半導体製造プロセス技術を使い単結晶シリコンを用
いて異方性エッチングにより形成した探針が知られてい
る（米国特許第５，２２１，４１５号明細書）。この探
針の形成方法は、図１０に示すように、まず二酸化シリ
コン５１０、５１２のマスクを被覆したシリコンウエハ
５１４に異方性エッチングによりピット５１８を設け、
二酸化シリコン５１０、５１２を除去し、次に全面に窒
化シリコン層５２０、５２１を被覆してカンチレバー
（片持ち梁）及び探針となるピラミッド状ピット５２２
を形成し、カンチレバー形状にパターニングした後、裏
面の窒化シリコン５２１を除去し、ソウカット５３４と
Ｃｒ層５３２を設けたガラス板５３０と窒化シリコン５
２０を接合し、シリコンウエハ５１４をエッチング除去
することによりマウンティングブロック５４０に転写さ
れた窒化シリコンからなる探針とプローブを作製するも
のである。

【０００４】上記製法により、プローブを作製した場
合、理想的には図１１（ａ）に示すように探針の４つの
稜線が頂点で一致する。このようなプローブを用いて試
料の表面を観察する場合、図１４（ａ）に示すように試
料面とカンチレバー面とに角度を持たせるのが普通であ
り、この場合は試料に対して探針の１つの頂点で接触す
ることができる。しかし実際はエッチング開口部を正確
に正方形に形成するのはリソグラフィーに用いるマスク
の寸法誤差やプロセス誤差が存在するため困難であり、
図１１（ｂ）や図１１（ｃ）に示すように頂点が一致し
ない場合が多い。図１１（ｂ）の場合は図１４（ｂ）に
示すように試料に対して探針の１つの頂点で接触するこ
とができるが、図１１（ｃ）の場合は試料に対して探針
が線で接触するため、解像度を得ることができない。そ
こで、（１００）面から一定のオフセット角度を有する
面を主面とする単結晶シリコン基板を異方性エッチング
することにより図１２に示したような高さの異なる２つ
の頂点を有する探針を形成する方法が示された（特許Ｆ
Ｎ１５５６２１）。この構造により図１４（ｃ）に示す
ように試料に対して探針が１つの頂点で接触できるプロ
ーブを提供することができた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、基板上
に複数のカンチレバー型プローブを形成する場合、単位
面積当たりのプローブ本数を多くして生産性を向上させ
るためには、製造の途中工程において図１３に示すよう
に１つの開口部に対してカンチレバーを互いに対向させ
て形成するのが有利であるが、この場合は２つの頂点の
位置がカンチレバーの長さ方向に対して反対の位置関係
にある２種類のカンチレバーが形成される（図１４
（ｃ）および図１４（ｄ）参照）。この場合、図１４
（ｄ）のタイプのカンチレバーは試料に対して探針が線
で接触し、解像度が低下する可能性がある。

【０００６】そこで、本発明は、上記した探針が線で接
触し、解像度が低下するという課題を解決し、探針が試
料に対して常に１つの頂点で接触することにより高解像
度が得られ、また、単位面積当たりのプローブ本数を多
くすることにより、生産性を向上させることのできる、
微小力または微小電流検出用のプローブ及びその製造方
法を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、微小力または微小電流検出用のプローブ及
びその製造方法をつぎのように構成したことを特徴とす
るものである。すなわち、本発明のプローブは、基板に
支持された弾性体の自由端部に探針を搭載した微小力ま
たは微小電流検出用のプローブであって、該探針が２つ
の頂点を有し、その一方の頂点が該弾性体の表面を基準
として他方の頂点よりも高く、かつ、該２つの頂点を結
ぶ線分の方向が該弾性体の長さ方向とほぼ直交している
ことを特徴としている。また、本発明のプローブは、前
記探針が、前記弾性体上に形成された接合層上に接合さ
れていることを特徴としている。また、本発明のプロー
ブは、前記弾性体上が、片持ち梁であることを特徴とし
ている。また、本発明のプローブは、前記弾性体上が、
薄膜平板を２つのねじり梁で支持したトーションレバー
であることを特徴としている。また、本発明のマルチプ
ローブは、、該マルチプローブを構成するプローブが上
記した本発明のいずれかに記載のプローブであることを
特徴としている。

【０００８】また、本発明のプローブの製造方法は、微
小力または微小電流検出用のプローブの製造方法であっ
て、面方位（１００）から（１１１）方向に３０°以内
の角度で傾いた方位を主面とするシリコン単結晶基板か
らなる第１基板の表面に結晶異方性エッチングにより２
つの頂点を有する凹部を形成し、該第１基板の該凹部を
含む基板上に剥離層を介して形成された探針を、第２基
板上に形成された弾性体上の接合層に、前記２つの頂点
を結ぶ線分の方向が前記弾性体の長さ方向とほぼ直交す
るように転写することを特徴としている。また、本発明
のプローブの製造方法は、微小電流または微小力検出用
のプローブの製造方法であって、（ａ）第１基板として
面方位（１００）から（１１１）方向に３０°以内の角
度で傾いた方位を主面とするシリコン単結晶基板を用意
し、該第１基板の表面に結晶異方性エッチングにより２
つの頂点を有する凹部を形成する工程と、（ｂ）前記第
１基板の凹部を含む基板上に、剥離層を形成する工程
と、（ｃ）前記凹部を含む剥離層上に、探針を形成する
工程と、（ｄ）第２基板上に弾性体材料を形成し、弾性
体形状にパターニングする工程と、（ｅ）前記弾性体材
料上に接合層を形成する工程と、（ｆ）前記２つの頂点
を結ぶ線分の方向と前記弾性体の長さ方向とが互いにほ
ぼ直交するように前記第１基板と前記第２基板とを位置
合わせし、前記凹部を含む剥離層上の探針を、前記第２
基板の弾性体材料上の接合層に接合する工程と、（ｇ）
前記剥離層と探針の界面で剥離を行い、前記接合層上に
探針を転写する工程と、（ｈ）第２基板の一部を除去し
て第２基板に支持された弾性体を形成する工程と、を少
なくとも有することを特徴としている。また、本発明の
プローブは、微小力または微小電流検出用のプローブで
あって、第１基板の表面に高さの異なる２つの頂点を有
する凹部を形成し、該第１基板の該凹部を含む基板上に
剥離層を介して形成された探針を、第２基板上に形成さ
れた弾性体上の接合層に、前記２つの頂点を結ぶ線分の
方向が前記弾性体の長さ方向とほぼ直交するように転写
してなることを特徴としている。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明は、上記した構成により、
探針を試料に対して常に１つの頂点で接触させることが
可能となり、それにより高解像度が得られ、また、単位
面積当たりのプローブ本数を多くすることにより、生産
性を向上させることのできるプローブを提供することが
できる。つぎに、図にもとづいて、発明の実施の形態に
ついて説明する。本発明によるプローブの構成は図１及
び図２及び図３に示すように、片持ち梁の自由端部に探
針を搭載した微小力または微小電流検出用のプローブで
あって、該探針が２つの頂点を有し、該片持ち梁の表面
を基準にした場合に一方の頂点が他方の頂点よりも高
く、かつ、該２つの頂点を結ぶ線分の方向と弾性体の長
さ方向とが互いにほぼ直交することを特徴とする。この
探針形状により、試料に対して常に１つの頂点で接触さ
せることができ、この結果、高い解像度を得ることがで
きる。また、基板上に形成された開口部にカンチレバー
を互いに向かい合わせて形成することにより単位面積当
たりのプローブ本数を多くすることができ、生産性を向
上させることができる。また、試料とカンチレバーとの
なす角を変化させて探針の２つの頂点が試料と接する状
態にすると観察する物理量が変化するが、これを利用し
て試料とカンチレバーとのなす角度を検知することも可
能である。また、探針の２つの頂点の高低差が小さい場
合、プローブを試料面内で走査すると探針と試料との摩
擦によりカンチレバーがねじれて低い方の頂点も接触し
観察する物理量が変化する。この時のカンチレバーのね
じれ角より摩擦力を検知することが可能である。また、
上記プローブにおいて、該探針が該弾性体上に形成され
た接合層上に接合されたプローブも本発明は含んでい
る。

【００１０】図４はその製造工程を示す断面図である。
以下、この図に従い製造方法を説明する。第一に、面方
位（１００）から（１１１）方向に３０°以内の角度で
傾いた方位を主面とするシリコン単結晶基板よりなる第
１基板の表面に結晶異方性エッチングにより２つの頂点
を有する凹部を形成する。これには、まず第１基板１に
保護層２を形成し、次に、保護層２の所望の箇所を、フ
ォトリソグラフィとエッチングによりパターニングして
開口部を設け、シリコンの一部を露出させる。次に、結
晶軸異方性エッチング等を用いてシリコンをエッチング
して凹部３を形成する方法が用いられる。保護層２とし
ては二酸化シリコンや窒化シリコンを用いることができ
る。上記開口部の形状は、長方形または台形が良い。台
形の場合は、その各辺がシリコンの（１１１）等価面の
いずれかにそれぞれ平行であることが望まれる。シリコ
ンのエッチングには探針先端部を鋭利に形成できる結晶
軸異方性エッチングを用いる。エッチング液に水酸化カ
リウム水溶液等を用いることにより（１１１）面と等価
な４つの面で囲まれた２つの頂点を有する凹部３を形成
することができる（図１および図４（ａ）参照）。

【００１１】第二に、第１基板１表面の保護層２を除去
し、剥離層４を形成する（図４（ｂ）参照）。この剥離
層４形成後の工程で、剥離層４上に探針５材料を成膜し
た後、探針５を剥離層４から剥離するため、探針５材料
が剥離しやすい剥離層４材料を選択する必要がある。す
なわち、剥離層４の材料は探針５材料との反応性・密着
性が小さいことが必要である。特に、第１基板１にシリ
コンを用いる場合は、熱酸化炉をもちいてシリコン表面
を熱酸化することにより再現性・制御性良く容易に二酸
化シリコン（ＳｉＯ₂）よりなる剥離層４を得ることが
でき、また、第１基板凹部を尖鋭化することが可能であ
る。第三に、前記凹部を含む剥離層４上に探針５を形成
する。探針５材料の成膜には既知の薄膜作製技術である
真空蒸着法、スパッタリング法等が用いられる。成膜後
既知のフォトリソグラフィーの手法を用いて探針５材料
をパターニングし、探針部とする（図４（ｃ）参照）。

【００１２】第四に、第２基板８上に形成されたカンチ
レバー等の弾性体９上に接合層７を形成する。弾性体９
は接合層７を介して探針５を支持する。接合層７は圧力
により探針を接合するためのものであり、探針５と接合
層７に金属を用いれば、圧力で互いに変形することによ
り金属結合を得ることができる。そこで、材料としては
金属、特にＡｕ、Ｐｔのような延性・展性に富んだ金属
が望ましい。なお、電極配線１０は、接合層７と同一材
料で同一層に形成しても良い。弾性体としては、カンチ
レバー（片持ち梁）や薄膜平板を２つのねじり梁で支持
したトーションレバー等が考えられる。弾性体の材料と
しては機械特性にすぐれ、かつ、薄膜にしたときの残留
応力が小さいものが良い。弾性体はまたアクチュエータ
の機能を有していてもよい。また、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃ
ｏｎｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて薄膜シ
リコンを弾性体とし、弾性体自体にピエゾ抵抗層を形成
することにより撓みを検出することも可能である。第五
に、前記凹部３を含む剥離層４上の探針５材料を接合層
７に接合する。これには、それぞれの基板を真空チャッ
ク等により保持できるアライメント装置を用い、第１基
板１上の探針５と第２基板８上の接合層７とを位置合わ
せして対向・接触させ、更に荷重を加えることにより探
針５と接合層７の接合（圧着）を行う（図４（ｄ）参
照）。この際、探針５の２つの頂点を結ぶ線分の方向と
前記片持ち梁の長さ方向とが互いにほぼ直交するように
第１基板１と第２基板８とを位置合わせし、探針５を接
合層７に接合する。第六に、前記剥離層４と探針５材料
の界面で剥離を行い接合層７上に探針５材料を転写す
る。すなわち、第１基板１と第２基板８を引き離すこと
により、剥離層４と探針５との界面で剥離させる（図４
（ｅ）参照）。第七に、第２基板８の一部を除去して弾
性体９を形成する。これにはあらかじめ第２基板裏面に
形成された窒化シリコン等に開口部を設け、これをエッ
チングマスクにして第２基板８のエッチングを行うこと
により、弾性体９を形成する（図４（ｆ）参照）。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。［実施例１］実施例１においては、本発明によりカンチ
レバー型プローブ及びその製造方法を構成した。図１に
探針部分図、図２に探針部分の斜視図、図３にプローブ
全体図をそれぞれ示す。以下、図１〜図３を用いて本発
明のプローブの構成を示す。第２基板８に支持されたカ
ンチレバー９の自由端部に接合層７が形成され、接合層
７上に探針５が接合されている。探針５は２つの頂点を
有し、カンチレバー９の表面を基準にした場合に一方の
頂点が他方の頂点よりも高く、かつ、その２つの頂点を
結ぶ線分の方向とカンチレバー９の長さ方向とが互いに
直交している。

【００１４】図４は本実施例のプローブの製造工程を示
す断面図である。以下、この図に従い製造方法を説明す
る。まず（１００）から（１１１）方向に１０°傾いた
方位を主面とするシリコン単結晶基板を第１基板１とし
て用意した。次に、保護層２としてシリコン熱酸化膜を
１００ｎｍ形成した。次に、保護層２の所望の箇所を、
フォトリソグラフィとエッチングにより台形形状にパタ
ーニングし、シリコンを露出した。この際、台形の各辺
がシリコンの（１１１）等価面のいずれかにそれぞれ平
行であるようにパターニングした。次に、水酸化カリウ
ム水溶液を用いた結晶軸異方性エッチングによりパター
ニング部のシリコンをエッチングした。なお、エッチン
グ条件は、濃度３０％の水酸化カリウム水溶液を用い、
液温９０℃、エッチング時間は１０分とした。このとき
（１１１）面と等価な４つの面で囲まれ、２つの高さの
異なる頂点を有する凹部３が形成された（図４（ａ）及
び図１〜図３参照）。次に、保護層２である熱酸化膜を
フッ酸とフッ化アンモニウムの混合水溶液（ＨＦ：ＮＨ
₄Ｆ＝１：５）で除去した。次に、１２０℃に加熱した
硫酸と過酸化水素水の混合液、及び、２％フッ酸水溶液
を用いて第１基板１の洗浄を行った。次に、熱酸化炉を
もちいて第１基板１を酸素及び水素雰囲気中で１０００
℃に加熱し、剥離層４である二酸化シリコンを４００ｎ
ｍ堆積した（図４（ｂ）参照）。次に、探針５の材料と
して金Ａｕをスパッタリング法により５００ｎｍ堆積し
た。次に、フォトリソグラフィおよびドライエッチング
によりパターニングし、探針５を形成した（図４（ｃ）
参照）。

【００１５】次に第２基板８として単結晶シリコン基板
を用意し、第２基板８両面に二酸化シリコン１３を０．
３μｍ、窒化シリコン１４を０．５μｍ成膜した。次に
表面の窒化シリコン１４をフォトリソグラフィとエッチ
ングによりカンチレバー９（片持ち梁）の形状にパター
ニングした。このとき、カンチレバーの寸法は幅５０μ
ｍ、長さ３００μｍとした。次に、裏面の窒化シリコン
１４及び二酸化シリコン１３を同様にエッチングマスク
形状にパターニングした。次に、チタンＴｉを３ｎｍ、
金Ａｕを５０ｎｍ成膜し、フォトリソグラフィとエッチ
ングによりパターン形成を行い、カンチレバー上に接合
層７及び配線１０を形成した。次に、第１基板１上の探
針５と第２基板８上の接合層７とを位置合わせして対向
・接触させ、更に荷重を加えることにより探針５と接合
層７の接合（圧着）を行った（図４（ｄ）参照）。次
に、第１基板１と第２基板８を引き離すことに、剥離層
４と探針５との界面で剥離させた（図４（ｅ）参照）。
次に、表面保護層としてポリイミド層をスピンコートに
より塗布し、ベークして形成した。次に、裏面の窒化シ
リコン１４をエッチングマスクにして、９０℃に加熱し
た３０％水酸化カリウム水溶液により裏面からシリコン
基板８のエッチングを行った。次に、フッ酸とフッ化ア
ンモニウム混合水溶液により二酸化シリコン層１３を除
去した。最後に、酸素プラズマを用いて表面保護層を除
去してカンチレバー型プローブを形成した。

【００１６】本実施例のプローブを用いた光てこ方式の
ＡＦＭ／ＳＴＭ装置のブロック図を図５に示す。ＡＦＭ
／ＳＴＭ装置はカンチレバー９と接合層７と接合層７に
接合した探針５からなるプローブと、レーザー光６１
と、カンチレバー自由端の接合層裏面にレーザー光を集
光するためのレンズ６２とカンチレバーのたわみ変位に
よる光の反射角の変化を検出するポジションセンサー６
３と、ボジションセンサーからの信号により変位検出を
行う変位検出回路６６と、ＸＹＺ軸駆動ピエゾ素子６５
と、ＸＹＺ軸駆動ピエゾ素子をＸＹＺ方向に駆動するた
めのＸＹＺ駆動用ドライバー６７とからなる。また、探
針５と試料６４との間に電圧印加回路６８により電圧を
印加し、この間を流れる微小電流Ｉｔを電流検出回路６
９により検出する。この装置を用いて、ＸＹＺ駆動ピエ
ゾ素子６５のＸＹを駆動しながら変位検出と電流検出を
行うことにより試料の凹凸と導電性の２次元像を同時に
得ることができる。本実施例により、探針が試料に対し
て常に１つの頂点で接触するために常に高解像度の得ら
れるカンチレバー型プローブを得ることができた。ま
た、試料５とカンチレバー９とのなす角を約１０°にし
て試料の凹凸像を観察したところ、探針５の２つの頂点
が試料６４に接触した凹凸像が観察された。すなわち凹
凸像より試料５とカンチレバー９とのなす角を知ること
ができた。

【００１７】［実施例２］実施例２においては、本発明
によりマルチプローブを構成した。図６にその構成を示
す。第２基板８から形成されたチップの端面に複数のプ
ローブが配置されている。各プローブはカンチレバー９
の自由端部に探針５が搭載されている。使用する場合は
ｘｙｚスキャナー上の試料１１に各プローブの探針を、
ｚスキャナーおよび接近または接触検知手段（不図示）
をもちいて接近または接触させて微小力や微小電流を検
知する。また、その状態でｘｙスキャナーを駆動させる
ことにより２次元像を観察することが可能である。製造
方法は実施例１とほぼ同じである。実施例１と異なると
ころを以下に示す。まず、図４（ａ）〜（ｃ）で示す工
程においては複数の凹部３を第１基板１上に形成するこ
とにより複数の探針５を形成した。同様に第２基板８上
には複数のカンチレバーパターンを形成した。また、図
４（ｆ）の工程において表面保護層１５を形成した後、
図７の点線の位置に相当する第２基板の裏面にチッピン
グ用のスクライブ溝を形成する。また、図４（ｆ）で第
２基板開口部１６を開けてカンチレバーを形成した後、
上記スクライブ溝に基づいてチッピングを行うことによ
り基板の端面に１列にプローブが並んだマルチプローブ
を形成することができた。本実施例のマルチプローブに
より、探針が試料に対して常に１つの頂点で接触するた
めに常に高解像度の得られるカンチレバー型マルチプロ
ーブを得ることができた。また、本実施例のマルチプロ
ーブは第２基板に形成された開口部１つにつき、向かい
合った２組のマルチプローブチップを形成することがで
きるため、生産性を向上させることができた。

【００１８】［実施例３］実施例３は、探針を結晶シリ
コンからなる薄膜平板上に設けたＡＦＭまたはＳＴＭ用
のプローブである。作製したプローブの斜視図を図８に
示す。本発明のプローブは図８より以下の構造を持つ。
１０４は固定電極８５及び８６を有する窒化シリコン膜
１００、１０１を形成したシリコンブロック、８１は導
電性を有するｎ型の結晶シリコンからなる薄膜平板であ
り、ねじり梁８２を側面に有し、空隙１０２を介して支
持部８３、８４によりねじり梁８２の上面で吊り下げ支
持されている。薄膜平板８１は、一端に接合層７８及び
接合層上に形成した微小探針８０を有する。固定電極８
６は薄膜平板８１に対向するように窒化シリコン膜１０
０上に配置して形成してある。支持部８３、８４は、Ａ
ｌ膜の電気導電体よりなり、接合層７８はＰｔ、探針８
０は実施例１と同様の行程により形成したＡｕよりな
る。支持部８３は、薄膜平板８１と固定電極８５、及び
薄膜平板８１と接合層７８を通じて探針８０とも電気的
に接続している。これにより支持部はねじり梁８２を介
して薄膜平板８１をエアブリッジ（ＡｉｒＢｒｉｄｇ
ｅ）構造にて機械的かつ電気的に接続する。本発明のプ
ローブは、固定電極８６と固定電極８５に電圧を印加す
ることにより、固定電極８６との間に静電引力が生じ、
ねじり梁がねじり回転し、薄膜平板８１の固定電極８６
側がシリコンブロック１０４側に変位し、探針８０が逆
側に変位する、すなわち、薄膜平板８１がねじり梁８２
の回転軸回りに回転変位する静電アクチュエータの機能
を有している。本発明の静電アクチュエータを有するプ
ローブでは、可撓梁の自由端に探針を有することでＡＦ
Ｍ用プローブとして用いると共に、探針及び薄膜平板が
電気導電性を有することによりＳＴＭ用プローブとして
も用いることが可能であり、さらに複合型ＳＴＭ／ＡＦ
Ｍ用プローブとして利用できる。

【００１９】図９は、本実施例のプローブの製造方法を
説明するための作製工程図であり、以下これを用いて製
造方法を説明する。第３基板９１として、単結晶シリコ
ン基板上に二酸化シリコン膜の絶縁層９２を介して後工
程で薄膜平板８１となるｎ型の単結晶シリコン膜９３
（３０Ω／□、厚さ１μｍ）が形成してなるＳＯＩ（Ｓ
ｉｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いた。前記基
板上にフォトレジストを塗布し露光、現像を行うフォト
リソグラフィプロセスを用いてフォトレジストのパター
ニングを施し、該フォトレジストをマスクとして結晶シ
リコン膜９３をＣＦ₄ガスを用いて反応性イオンエッチ
ング（ＲＩＥ）によりエッチングし、後工程にて薄膜平
板となる開口部８７を有するビームパターン８４を形成
し、フォトレジストをレジスト剥離液を用いて剥離しビ
ームパターンを有する第３基板を作製した（図９（ａ）
参照）。第３基板９１と接着する第２基板９５として単
結晶シリコン基板を用意し、第２基板９５を裏面から結
晶軸異方性エッチングする際のマスクとなる窒化シリコ
ン膜を低圧ＣＶＤ（ＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＣｈｅ
ｍｉｃａｌＶａｐｏｕｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）にて
０．５μｍ形成した。窒化シリコン膜の成膜条件は成膜
温度８４８℃、流量比ＮＨ₃：ＳｉＨ₂Ｃｌ₂＝１０ｃｃ
ｍ：２０ｃｃｍ、成膜圧力０．２Ｔｏｒｒである。さら
に後工程にて第２基板９５上に空隙を介して薄膜平板８
１が形成される場所の裏面の窒化シリコン膜１０１の一
部をフォトリソグラフィプロセスとＣＦ₄を用いた反応
性イオンエッチングによりパターニングした。固定電極
８５（不図示）、８６は、Ｐｔターゲットを用いてスパ
ッタ法によりＰｔを１００ｎｍ成膜し、フォトリソグラ
フィプロセスによりフォトレジストをパターニングし、
該フォトレジストをマスクとしてＡｒイオンによりイオ
ンミーリング（ＩｏｎＭｉｌｌｉｎｇ）し、フォトレ
ジストを除去し図８に示すようにパターニングし形成し
た。

【００２０】次に、第２基板上に、樹脂膜である接着層
９７をスピナー法により塗布した。樹脂膜としてフォト
レジストである東京応化（株）製のゴム系レジストＯＭ
Ｒ−８３（商品名）を用いた。塗布する際の樹脂を溶解
した溶液中に含まれる溶媒の含有量を調節しないと接着
層と第３基板との間に気泡が残る場合がある。硬化しな
い程度の低温にて前処理加熱を施し樹脂膜中に含まれる
溶媒の含有量を調節することで界面に気泡が残ることを
防止できる。接着層９７を、５０℃にて１５分間の前処
理加熱を行った（図９（ｂ）参照）。次に、塗布した後
に、図９（ａ）の第３基板９１と図９（ｂ）の第２基板
９５を裏面より圧力をかけて押し当てた後に、１５０℃
に加熱処理することにより接着層を硬化させ、図９
（ｃ）に示すように接着した。第３基板９１に結晶シリ
コン膜９３にビームパターン９４を形成したことで、溝
ができ、接着層を加熱処理し硬化する際に発生する有機
溶媒の蒸気を前記溝を通じて逃がすことができ、気泡が
残ることを防止できた。硬化後の接着層の膜厚は２μｍ
であった。この後、図９（ｃ）の接着した基板に対し
て、８０℃、３０ｗｔ％のＫＯＨ水溶液中で第３基板９
１をエッチング除去し、さらにＨＦ水溶液にて絶縁層９
２をエッチング除去した。次に、Ｐｔターゲットを用い
てスパッタ法によりＰｔを５０ｎｍ成膜し、フォトリソ
グラフィプロセスによりフォトレジストをパターニング
し、該フォトレジストをマスクとしてＡｒイオンにより
イオンミーリング（ＩｏｎＭｉｌｌｉｎｇ）し、接合
層７８を形成した。

【００２１】この後、酸素ガスを用いた反応性イオンエ
ッチングにより、接着層９７の一部をエッチングした。
このようにして形成したビームパターン及び接合層上に
支持層となるＡｌ膜を真空蒸着法の一つであるＡｌター
ゲットを用いたイオンビームスパッタリング法により１
μｍ成膜した。Ａｌ膜上にフォトリソグラフィプロセス
によりフォトレジストを塗布、露光、現像し、Ａｌ膜を
りん酸、硝酸及び酢酸からなるＡｌエッチャントを用い
てパターニングし図８の支持部８３、８４のパターンを
ねじり梁８２上に形成した（図９（ｄ）に点線で表
示）。さらに、酸素ガスを用いた反応性イオンエッチン
グにより、フォトレジストを除去した。次に、実施例１
と同様の方法により、第１基板７１上に剥離層７５およ
び探針８０を形成する。探針８０はＡｕを１μｍ成膜し
た探針材料層からなる。次に、第１基板７１の探針８０
と接合層７８とを位置合わせし、接合を行った（図９
（ｄ）参照）。接合は第１基板７１と第２基板９５の裏
面に圧力を加えて圧着する方法を用いている。これによ
りＡｕとＰｔとの結合がなされ、探針材料層７７と接合
層７８が接合し、第１基板７１と第２基板９５を当接後
に離すことにより剥離層上のＡｕのみが接合層７８上に
微小探針８０を転写できた。次に第２基板９５上にフォ
トレジスト１１２を塗布し、水酸化カリウム水溶液を用
いた結晶軸異方性エッチングにより第２基板９５の裏面
側からシリコン基板９５の一部をエッチングしシリコン
ブロック１０４を形成し、さらに裏面側から薄膜平板下
部の窒化シリコン膜１００をＣＦ₄ガスを用いた反応性
イオンエッチングにより除去した（図９（ｅ）参照）。
最後に、酸素プラズマによりフォトレジスト１１２及び
薄膜平板下部の樹脂膜よりなる接着層９７をアッシング
し空隙１０２を形成した。

【００２２】以上の形成法を用いて空隙１０２を持つ、
結晶シリコンからなるねじり梁８２と薄膜平板８１、及
び接合層上に形成された微小探針８０を有する、Ａｌの
支持部８３、８４で支持された図８に示す静電アクチュ
エータの機能を持つプローブを形成した。本実施例のプ
ローブにより、探針が試料に対して常に１つの頂点で接
触するために常に高解像度の得られるカンチレバー型プ
ローブを得ることができた。また、本実施例のプローブ
は実施例２と同様に、第２基板に形成されたそれぞれの
開口部に対して、向かい合った２組のプローブチップ
（マルチプローブチップを含む）を形成することができ
るため、生産性を向上させることができた。

【００２３】

【発明の効果】本発明は、以上のように、探針をその一
方の頂点が該弾性体の表面を基準として他方の頂点より
も高く、かつ、該２つの頂点を結ぶ線分の方向が該弾性
体の長さ方向とほば直交するように構成できるため、探
針を試料に対して常に１つの頂点で接触させることが可
能となり、それによって高解像度が得られ、また、単位
面積当たりのプローブ本数を多くすることにより、生産
性を向上させることのできるプローブを実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１によるプローブの探針部分図である。

【図２】実施例１によるプローブの探針部分の斜視図で
ある。

【図３】実施例１によるプローブの全体図である。

【図４】実施例１によるプローブの製造方法を示す図で
ある。

【図５】実施例１によるプローブを用いたＡＦＭ／ＳＴ
Ｍ装置のブロック図である。

【図６】実施例２によるプローブを示す図である。

【図７】実施例２によるプローブの途中工程を示す図で
ある。

【図８】実施例３によるプローブを示す図である。

【図９】実施例３によるプローブの製造工程を示す図で
ある。

【図１０】従来例のプローブの製造工程断面図である。

【図１１】従来例のプローブの探針部分を示す図であ
る。

【図１２】従来例のプローブを示す図である。

【図１３】従来例のプローブの途中工程を示す図であ
る。

【図１４】従来例のプローブと試料との位置関係を示す
図である。

【符号の説明】

１：第１基板２：保護層３：凹部４：剥離層５：探針７：接合層８：第２基板９：弾性体（カンチレバー）１０：配線１１：試料１３：二酸化シリコン１４：窒化シリコン１６：第２基板開口部６１：レーザー光６２：レンズ６３：ポジションセンサ６４：試料６５：ＸＹＺ軸駆動ピエゾ素子６６：変位検出回路６７：ＸＹＺ駆動用ドライバー６８：電圧印加回路６９：電流検出回路７８：接合層８０：微小探針８１：薄膜平板８２：ねじり梁８３、８４：支持部８５、８６：固定電極９１：シリコン基板９２：絶縁層９３：結晶シリコン膜９４：ビームパターン９５：シリコン基板９７：接着層９８：Ａｌ膜１００、１０１：窒化シリコン膜１０２：空隙１０４：シリコンブロック１１２：フォトレジスト５１０、５１２：二酸化シリコン５１４：シリコンウエハ５１８：ピット５２０、５２１：窒化シリコン５２２：ピラミッド状ピット５３２：Ｃｒ層５３４：ソウカット５４０：マウンティングブロック５４２：金属膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＧ１２Ｂ 21/08 Ｇ１２Ｂ 1/00 ６０１Ｄ (56)参考文献特開昭63−55845（ＪＰ，Ａ) 特開平９−105755（ＪＰ，Ａ) 特開平８−64644（ＪＰ，Ａ) 特開平８−285868（ＪＰ，Ａ) 特開平８−222174（ＪＰ，Ａ) 特開平６−150807（ＪＰ，Ａ) 特開平６−102007（ＪＰ，Ａ) 特開平５−18744（ＪＰ，Ａ) 特開平５−10753（ＪＰ，Ａ) 特開平４−36946（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G11B 5/00 G11B 9/00 G12B 21/00 - 21/24 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板に支持された弾性体の自由端部に探針
を搭載した微小力または微小電流検出用のプローブであ
って、該探針が２つの頂点を有し、その一方の頂点が該
弾性体の表面を基準として他方の頂点よりも高く、か
つ、該２つの頂点を結ぶ線分の方向が該弾性体の長さ方
向とほぼ直交していることを特徴とするプローブ。
【請求項２】前記探針が、前記弾性体上に形成された接
合層上に接合されていることを特徴とする請求項１に記
載のプローブ。
【請求項３】前記弾性体上が、片持ち梁であることを特
徴とする請求項１または請求項２に記載のプローブ。
【請求項４】前記弾性体上が、薄膜平板を２つのねじり
梁で支持したトーションレバーであることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載のプローブ。
【請求項５】プローブを基板上に複数有するマルチプロ
ーブにおいて、該プローブが請求項１〜請求項４のいず
れか１項に記載のプローブであることを特徴とするマル
チプローブ。
【請求項６】微小力または微小電流検出用のプローブの
製造方法であって、面方位（１００）から（１１１）方
向に３０°以内の角度で傾いた方位を主面とするシリコ
ン単結晶基板からなる第１基板の表面に結晶異方性エッ
チングにより２つの頂点を有する凹部を形成し、該第１
基板の該凹部を含む基板上に剥離層を介して形成された
探針を、第２基板上に形成された弾性体上の接合層に、
前記２つの頂点を結ぶ線分の方向が前記弾性体の長さ方
向とほぼ直交するように転写することを特徴とする微小
電流または微小力検出用のプローブの製造方法。
【請求項７】微小電流または微小力検出用のプローブの
製造方法であって、（ａ）第１基板として面方位（１０
０）から（１１１）方向に３０°以内の角度で傾いた方
位を主面とするシリコン単結晶基板を用意し、該第１基
板の表面に結晶異方性エッチングにより２つの頂点を有
する凹部を形成する工程と、（ｂ）前記第１基板の凹部
を含む基板上に、剥離層を形成する工程と、（ｃ）前記
凹部を含む剥離層上に、探針を形成する工程と、（ｄ）
第２基板上に弾性体材料を形成し、弾性体形状にパター
ニングする工程と、（ｅ）前記弾性体材料上に接合層を
形成する工程と、（ｆ）前記２つの頂点を結ぶ線分の方
向と前記弾性体の長さ方向とが互いにほぼ直交するよう
に前記第１基板と前記第２基板とを位置合わせし、前記
凹部を含む剥離層上の探針を、前記第２基板の弾性体材
料上の接合層に接合する工程と、（ｇ）前記剥離層と探
針の界面で剥離を行い、前記接合層上に探針を転写する
工程と、（ｈ）第２基板の一部を除去して第２基板に支
持された弾性体を形成する工程と、を少なくとも有する
ことを特徴とするプローブの製造方法。
【請求項８】微小力または微小電流検出用のプローブで
あって、第１基板の表面に高さの異なる２つの頂点を有
する凹部を形成し、該第１基板の該凹部を含む基板上に
剥離層を介して形成された探針を、第２基板上に形成さ
れた弾性体上の接合層に、前記２つの頂点を結ぶ線分の
方向が前記弾性体の長さ方向とほぼ直交するように転写
してなることを特徴とする微小電流または微小力検出用
のプローブ。