JP3587583B2 - Ａｆｍカンチレバー - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope : ＡＦＭ）に用いるＡＦＭカンチレバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、導電性試料を原子サイズオーダーの分解能で観察できる装置として、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Microscope ）が Binnig と Rohrer らにより発明されてから、原子オーダーの表面凹凸を観察できる顕微鏡として各方面での利用が進んでいる。しかしＳＴＭでは、観察できる試料は導電性のものに限られている。
【０００３】
そこで、ＳＴＭにおけるサーボ技術を利用しながら、ＳＴＭでは測定し難かった絶縁性の試料を、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、原子間力顕微鏡が提案されている（特開昭６２−１３０３０２号，出願人：ＩＢＭ，発明者：Ｇ．ビニッヒ，発明の名称：サンプル表面の像を形成する方法及び装置，参照）。
【０００４】
一方、最近ＳＮＯＭ（Scanning Near-field Optical Microscope）測定が注目されている。これはＳＴＭやＡＦＭと同じく走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope ：ＳＰＭ）の一種で、光照射されている試料近傍で光透過性のある探針を走査することによって、極めて分解能の高い光学像を得る測定方法である。そして光透過性を有する窒化シリコン膜製の探針を持つＡＦＭカンチレバーを、このＳＮＯＭ測定に適用できることが報告されている〔N.F.van Hulst,M.H.P.Moers,O.F.J.Moordman,R.G.Tack,F.B.Segerink,B.Bolger : Near-field optical microscope using a silicon-nitride probe, Appl.Phys.lett.62,461(1993 ）参照〕。
【０００５】
ＡＦＭの構造はＳＴＭに類似しており、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一つとして位置づけられる。ＡＦＭでは、自由端に鋭い突起部分（探針部）を持つカンチレバーを試料に対向・近接して配置し、探針部の先端の原子と試料原子との間に働く相互作用により、変位する片持ち梁の動きを電気的あるいは光学的にとらえて測定しつつ、試料をＸＹ方向に走査し、片持ち梁の探針部との位置関係を相対的に変化させることによって、試料の凹凸情報などを原子サイズオーダーで三次元的にとらえることができるようになっている。
【０００６】
上述したようなＡＦＭ等における走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）用のカンチレバーチップとしては、T.R.Albrechtらが半導体ＩＣ製造プロセスを応用して作製することのできる酸化シリコン膜製のカンチレバーを提案して以来〔Thonas R.Albrecht and Calvin F.Quate : Atomic resolution imaging of a nonconductor Atomforce Microscopy, J.Appl.Phy.62(1987)2599参照〕、ミクロンオーダーの高精度で優れた再現性を持って作製することが可能なっている。また、このようなカンチレバーチップは、バッチプロセスによって作製することができ、低コスト化が実現されている。よって現在では、半導体ＩＣ製造プロセスを応用して作製されるカンチレバーチップが主流となっている。
【０００７】
ＡＦＭの測定方式としては、試料と探針を１nm程度に近接させて測定する接触方式、５〜10nm離して測定する非接触方式、試料表面を探針で軽くたたきながら移動させて測定するタッピング方式等がある。これらの測定方式のうち、非接触方式及びタッピング方式では堅いカンチレバーを用いる必要がある。
【０００８】
堅いカンチレバーを作製するためには、レバー膜を厚くする必要があり、このうよなＡＦＭカンチレバーとして、探針部、レバー、支持部をシリコンで一体に形成するものが広く知られている〔例えば、O.Wolter,Th.Bayer, and J.Greschner : Micromachined silicon sensors for scanning force microscopy, J.Vac.Sci.Technol.B9(2),May/April 1991参照〕。
【０００９】
このシリコン一体形成型のＡＦＭカンチレバーは、前述したものとおなじく半導体製造技術を用いて作製するため、ミクロンオーダーの高精度で非常に再現性よく作製することができると共に、レバーをシリコン基板で形成するため厚いレバーを作製することが容易である。また探針部がシリコンで形成されているため、シリコンに不純物をあらかじめ拡散させておくことにより、探針部に導電性を付加させることができるので、ＳＴＭ測定や表面修飾、加工も可能である。
【００１０】
次に、図10を参照しながら、従来より実施されている半導体ＩＣ製造プロセスを応用した窒化シリコン膜製ＡＦＭカンチレバーの製造方法について説明する。まず、図10の（Ａ）に示すように、面方位（１００）Si基板1010上に窒化シリコン膜パターン1001を設け、スタート基板1020を形成する。次に図10の（Ｂ）に示すように、この窒化シリコン膜パターン1001を耐エッチングマスクとして、Si基板1010にカンチレバーの探針部の型となる四角錐状のレプリカ穴1012を形成する。この後、図10の（Ｃ）に示すように、一旦窒化シリコン膜パターン1001を除去し、Si基板1010上に新たなカンチレバーの母材料となる窒化シリコン膜1003を堆積する。更に図10の（Ｄ）に示すように、この窒化シリコン膜1003をカンチレバーの形状に選択エッチングすることにより、カンチレバーパターン1005を形成する。次いで図10の（Ｅ）に示すように、このカンチレバーパターン1005上の所定領域に、カンチレバーの支持部材となるパイレックスガラス1004を陽極接合する。続いて、図10の（Ｆ）に示すように、Si基板1010をエッチングにより除去し、支持部、レバー部（片持ち梁）及び探針部を備えたＡＦＭカンチレバー1000が得られる。
【００１１】
したがって、この製法により製造されるＡＦＭカンチレバーは、ガラス製の支持部と窒化シリコン膜で一体形成された探針部及び片持ち梁とにより構成される。そして、このように構成されたＡＦＭカンチレバーは、ミクロンオーダーの高精度で非常に再現性よく作製することができ、しかも探針部が材料的性質として親水性である窒化シリコン膜で形成されているので、生体試料に有効な液中でのＡＦＭ測定に適している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記図10で示した製造方法で作製された、窒化シリコン膜で探針部及び片持ち梁を一体形成した従来のＡＦＭカンチレバーは、次のような問題点がある。すなわち、まず、カンチレバーの厚さはレプリカ穴形成後に堆積する窒化シリコン膜の堆積膜厚で決定されるが、窒化シリコン膜堆積時の応力によって発生するクラックや基板のそりを回避するため、堆積できる膜厚は１μｍ程度が限界となる。したがって、前述した非接触方式やタッピング方式の測定に有効な堅いカンチレバーを形成することが困難である。また、探針部が絶縁性の窒化シリコン膜で構成されるため、ＳＴＭ測定や表面修飾、加工などへの応用が困難である。
【００１３】
また、窒化シリコン膜製のＡＦＭカンチレバーにおいては、下地基板のエッチング除去後の片持ち梁の反りを回避するため、用いる窒化シリコン膜の組成としては、通常の半導体ＩＣに用いられるSiと窒素の含有比３：４のものより、Si含有比の高いものを使用する必要がある。このようなSi含有比の高い窒化シリコン膜では、波長400 nm以下の短波長でSiによる光吸収のため、光透過性が劣化することを我々は見いだしている。
【００１４】
前述したように、窒化シリコン一体形成型のＡＦＭカンチレバーはＳＮＯＭ測定に使用可能ではあるが、測定試料からの蛍光をＳＮＯＭによりスペクトル分析しようとする場合には、幅広い波長領域での探針部の光透過性が要求される。ところが、このＡＦＭカンチレバーは探針部とレバーを一括形成しているため、探針部は短波長領域で光透過性の劣化するSi含有比の高い窒化シリコン膜で形成されることになり、このような測定には不適当である。
【００１５】
更に、窒化シリコン膜製の探針部及びシリコン製の探針部の何れも機械的強度が弱く、このようなカンチレバーを用いての超微細な機械的加工技術への応用には、従来のＡＦＭカンチレバーは不向きである。このように従来の半導体製造技術を用いて作製するＡＦＭカンチレバーは、探針部と片持ち梁を同一材料で形成していたため、探針部としての要求特性と片持ち梁としての要求特性とを同時に満たすことが困難であった。
【００１６】
探針部に求められる性能と、片持ち梁に求められる性能を同時に満たす方法としては、探針部と片持ち梁の構成部材をそれぞれ独立に任意に構成すればよいことは容易に考えつくが、数μｍ〜数十μｍ程度の探針を別に用意した片持ち梁に接着することは容易ではない。そこで図11の（Ａ）に示すように、同一基板上で片持ち梁1101と探針部1102を順に続けて形成することが考えられるが、この場合には片持ち梁1101と探針部1102の界面1103の状態により、図11の（Ｂ）に示すように、基板のエッチング時に探針部1102がとれたり、片持ち梁1101と探針部1102の構成材料の接合性の相性が悪い場合などは、探針部1102が片持ち梁1101につかない等の不具合が考えられる。なお図11の（Ａ），（Ｂ）において、1104は支持部を示している。
【００１７】
本発明は、従来の半導体製造技術を用いて作製するＡＦＭカンチレバーにおける上記問題点を解消するためになされたもので、各種の用途、使用方法におのおの要求されるレバー特性と探針特性とを共に満足させることの可能なＡＦＭカンチレバーを提供することを目的とする。
そのために請求項１記載の発明は、片持ち梁と探針部を個別に接合性よく構成することが可能なＡＦＭカンチレバーを提供することを目的としている。請求項２記載の発明は、請求項１記載のＡＦＭカンチレバーにおいて、特異な工程を経ることなく容易に形成可能なＡＦＭカンチレバーを提供することを目的とする。請求項３記載の発明は、請求項１記載のＡＦＭカンチレバーにおいて、探針部を挟み込んで固定するために用いられた部材が片持ち梁に応力等の影響を与えないようにしたＡＦＭカンチレバーを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段及び作用】
上記問題点を解決するため、請求項１記載の発明は、片持ち梁の支持部と、該支持部より延びるように配置された片持ち梁と、該片持ち梁の自由端であって、該片持ち梁に対して前記支持部と反対側である裏面に設けた探針部とを備えたＡＦＭカンチレバーにおいて、前記片持ち梁は第１の層と第２の層の重ね合わせ２層部を備え、前記探針部の基部を、前記片持ち梁の第１の層と第２の層の重ね合わせ２層部で重ね合わせ方向に挟み込んで、前記探針部を片持ち梁に結合して構成するものである。
【００１９】
このような片持ち梁を構成する第１の層と第２の層とで重ね合わせ方向から探針部を挟み込む構成としているので、片持ち梁と探針部をそれぞれ別個の部材で容易に構成することが可能となり、用途、使用方法に応じて、探針部及び片持ち梁にそれぞれ要求される特性を持たせることができる。例えば、片持ち梁形成部材としてSiを用いると堅いレバー特性が得られ、窒化シリコン膜を用いると柔らかいレバー特性が得られる。そして各片持ち梁に対して光透過性、親水性、導電性、硬質性等の各種特性をもつ探針部を、用途に応じて形成することが可能となる。また探針部はその基部を片持ち梁の重ね合わせ２層部で重ね合わせ方向に挟まれて結合されているので、接合強さが十分に確保でき、接着性の悪い材料をそれぞれ選択してカンチレバーを形成することも可能である。また探針部を薄膜で形成し、片持ち梁を構成する第２の層で芯を形成して探針部を２層構造とすることによって、比較的柔軟な部材や厚膜の形成が困難な部材でも探針部が形成可能となる。
【００２０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のＡＦＭカンチレバーにおいて、片持ち梁を全長に亘って第１の層と第２の層の重ね合わせ２層部で構成するものである。これにより、特異な工程を経ることなく、請求項１記載のＡＦＭカンチレバーを容易に形成することができる。
【００２１】
請求項３記載の発明は、請求項１記載のＡＦＭカンチレバーにおいて、探針部の基部を挟み込む結合部分にのみ、片持ち梁の第１の層と第２の層の重ね合わせ２層部を形成するものである。これにより、探針部の結合部分によって片持ち梁に応力等の影響を与えないＡＦＭカンチレバーを提供することが可能となり、探針部の固定に用いる材料の選択範囲が拡大し、遮光膜や光透過性膜など自由に選択でき、測定感度の向上を図ることが可能となる。
【００２２】
【実施例】
次に実施例について説明する。図１の（Ａ）は、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第１実施例を示す全体斜視図で、図１の（Ｂ）はその断面図である。この実施例のＡＦＭカンチレバー100 は片持ち梁105 と、該片持ち梁105 の先端に設けられた探針部102 と、該片持ち梁105 の基部に設けられた支持部104 より構成されている。探針部102 は、片持ち梁を構成する第１の層101 の下面にその基部102aが支持され、該第１の層101 を貫通して上面から突出して配設され、そして基部102aは片持ち梁105 を構成する第２の層103 によって、図１の（Ｂ）に示されるように挟み込まれて固着されている。片持ち梁105 の構成材料には、シリコン，窒化シリコンが適している。探針部102 の形成材料には、用途に応じて光透過性、導電性、硬質性等の各種特性を有する部材を適宜選択できる。そして、支持部104 にはガラス，Si等を用いることができる。
【００２３】
探針部102 の形成部材として、光透過性のある窒化シリコン膜，酸化シリコン膜，ＩＴＯ，SnＯ2 等を用いることにより、ＳＮＯＭ測定やそのスペクトル測定が可能となる。なお、この場合に用いる窒化シリコン膜としては、Siと窒素との含有比が３：４である膜組成のものを使用した方が、従来のＡＦＭカンチレバーに使用されている低応力化した窒化シリコン膜よりも適している。これは低応力化した窒化シリコン膜では、Siの含有比が多いため、波長400 nm以下でSiによる光吸収に起因する光透過性の低下が見られるからである。
【００２４】
一方、探針部102 の形成部材として導電性材料を用いれば、ＡＦＭ測定のみならずＳＴＭ測定、あるいはＳＴＭを用いた原子、分子操作等の表面修飾や加工にも適用可能である。導電性材料としては各種金属を用いることができるが、特にMo，Ｗ等の高融点金属及びそのシリサイドを使用することにより、探針部の形成部材の成膜後も高温熱処理することが可能となり、作製上の制約が少ない。また前述のＩＴＯ，SnＯ2 等の透明電極材料を用いることにより、ＡＦＭ、ＳＮＯＭ、ＳＴＭ測定を全て行うことが可能となる。更にまた、探針部の形成部材として、SiＣやＤＬＣ（Diamond Like Carbon ）等の硬質材料を用いることにより、被加工体表面を走査して削る等の超微細な機械的加工技術も可能となる。
【００２５】
本実施例では、片持ち梁の第１の層の下面に探針部の基部を形成し、更にその上から第２の層を形成する構成であるから、探針部は片持ち梁の内部に強固に保持されることになる。この特徴を利用して、探針部に片持ち梁の部材と接合性の悪い部材を用いたＡＦＭカンチレバーも形成可能となる。
【００２６】
また本実施例では、片持ち梁全体を第１の層101 と第２の層103 で構成しており、第１の層101 と第２の層103 に同一部材を用いる場合や低応力部材を用いる場合に適している。また、第１及び第２の２層の応力差を利用して片持ち梁の反りを取り除く場合や、反りを任意に設定する場合にも応用可能であることから、第１の層と第２の層にそれぞれ別個の部材を用いることもできる。
【００２７】
更に、図１の（Ｃ）に示すように、片持ち梁の第２の層103 を構成する膜を、探針部102 の内部にも入り込ませることができるので、探針部102 を薄めに形成して、片持ち梁の第２の層103 で探針部内部に芯112 を形成することにより、軟らかい部材等の探針部の形成も可能となる。
【００２８】
次に本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の一例を、図５の（Ａ）〜（Ｆ）に示す製造工程図に基づいて説明する。まず図５の（Ａ）に示すように、面方位（１００）のSi基板510 に片持ち梁を構成するSiＮ等からなる第１の膜501 を堆積し、探針形成部を開口する。続いてSi基板510 にレプリカ穴512 をエッチングにより形成する。エッチングにはドライエッチング、ウェットエッチング共に使用可能であり、エッチングマスクとしては酸化シリコン膜等を用いる。次にレプリカ穴512 を含む図５の（Ａ）に示す基板表面にSi3 Ｎ4 等の探針形成部材522 を堆積し、レプリカ穴の部分にマスクパターンを形成した後、探針部を除いた周辺部の形成部材522 をエッチングして、図５の（Ｂ）に示すように、探針部502 を得る。この時、第１の膜501 の表面に酸化シリコン膜等を形成してエッチングのストッパーに用いると、エッチングの制御が容易である。次に図５の（Ｃ）に示すように、表面の酸化シリコン膜をエッチングにより除去した第１の膜501 と探針部502 の表面に、片持ち梁を構成するSiＮ等からなる第２の膜503 を堆積する。次いで、この表面に片持ち梁の形状にマスクパターンを形成し、エッチングして基板510 を露出させて、図５の（Ｄ）に示すように、片持ち梁505 を得、熱処理して表面に酸化シリコン膜515 を形成する。
【００２９】
その後、図５の（Ｅ）に示すように、片持ち梁505 の探針部502 とは反対側の一端の表面に、支持部504 を接合する。この支持部504 の接合方法としては、例えばあらかじめ片面に溝を形成したパイレックスガラス（例えばコーニング♯7740）を陽極接合したり、あるいは適当な支持部材を接着剤等を用いて接合する方法が用いられる。その後、図５の（Ｆ）に示すように、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液のアルカリ水溶液により、下地Si基板510 をエッチング除去し、最後にフッ化水素酸水溶液により酸化シリコン膜515 を除去することによって、例えばガラス製の支持部504 とSiＮ製の片持ち梁505 とSi3 Ｎ4 製の探針部502 により構成された本発明に係るＡＦＭカンチレバー500 を得ることができる。
【００３０】
次に、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の他の例を、図６の（Ａ）〜（Ｆ）に示す製造工程図に基づいて説明する。この製造方法は、片持ち梁をSiで形成するものである。まず、スタート基板620 として、図６の（Ａ）に示すように、面方位（１００）のシリコンウエハ610 の表面に酸化シリコン膜611 を形成した後、例えばｎ型の同じく面方位（１００）を持ったシリコンウエハ601 を貼り合わせたもの、いわゆる貼り合わせＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を使用する。ここで、シリコンウエハ601 は片持ち梁を構成する第１の層を形成するものであり、その厚さは必要とするレバーの特性に合わせて設定される。例えば、その厚さは２μｍ程度である。
【００３１】
次に図６の（Ｂ）に示すように、上記スタート基板620 の表面の探針部を形成すべき場所に、下地シリコンウエハ610 まで貫通するように、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いてスタート基板620 をエッチングすることによって、レプリカ穴612 を形成する。次に図６の（Ｃ）に示すように、例えばSi3 Ｎ4 等の探針形成部材622 をＣＶＤ法等で基板表面に堆積し、次いで上記レプリカ穴部分にマスクパターンを形成した後、上記探針形成部材622 をエッチングして、レプリカ穴部分を除き基板表面を露出させ、探針部602 を形成する。その後、図６の（Ｄ）に示すように、基板表面に片持ち梁を構成する例えば多晶質シリコン等の第２の層の形成部材603 をＣＶＤ法等で堆積する。その後、図６の（Ｅ）に示すように、片持ち梁形成用マスクパターンを形成した後、ＲＩＥ法等により第２の層の形成部材603 及び上部シリコンウエハ601 をエッチングして片持ち梁605 を形成し、更にその後、第２の層の形成部材603 とシリコンウエハ601 からなる片持ち梁605 の表面に、酸化シリコン膜615 を形成する。
【００３２】
以下図５に示した製造方法と同様の方法で、図６の（Ｅ）〜（Ｆ）に示すように、支持部604 を形成し、シリコンウエハ610 をエッチング除去し、最後に表面の酸化シリコン膜615 を除去することにより、ＡＦＭカンチレバー600 が得られる。
【００３３】
次に、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の更に他の例を、図７の（Ａ）〜（Ｆ）に示す製造工程図を用いて説明する。この製造方法でも、第２実施例と同様に、片持ち梁をSiで形成している。まずスタート基板720 として、図７の（Ａ）に示すように面方位（１００）のｎ型シリコンウエハ710 の上に、片持ち梁の第１の層となる高濃度のｐ型不純物拡散層701 を形成したものを用いる。このｐ型不純物拡散層701 としては、例えば表面濃度１×1019〜1.5 ×1020／cm3 程度のボロン拡散層を用いる。次に図７の（Ｂ）に示すように、探針形成用のレプリカ穴712 をシリコンウエハ710 まで貫通するように形成する。なお図６に示した製造方法においては、レプリカ穴の形成にＲＩＥ等のドライエッチング法を用いたが、本製造方法においては、それに加えてＫＯＨ水溶液による湿式エッチング法を用いることも可能である。
【００３４】
以下図６に示した製造方法と全く同様の方法で、図７の（Ｃ）〜（Ｅ）に示すように、探針形成部材722 の堆積とエッチング、片持ち梁を構成する第２の層703 の堆積、片持ち梁705 の形成、酸化シリコン膜715 の形成、支持部704 となるガラス基板の接合までを行う。
【００３５】
その後、シリコンウエハ710 をエチレンジアミンピロカテコール水溶液（ＥＤＰ）によりエッチング除去する。このエッチング液においては、第１の層となる高濃度のｐ型不純物拡散層701 のエッチングレートが著しく減少するため、シリコンウエハ710 が徐々にエッチングされ、ｐ型不純物拡散層701 からなる片持ち梁705 が露出したとき、エッチングが自動的に停止する。そして最後にフッ化水素酸水溶液により酸化シリコン膜715 を除去することによって、図７の（Ｆ）に示すように、ガラス製の支持部704 とシリコン製の片持ち梁705 と探針部702 とからなるＡＦＭカンチレバー700 が得られる。
【００３６】
この製造方法によれば、スタート基板として特殊な基板を必要としないため、更に安価に本発明に係るＡＦＭカンチレバーを製造することができる。
【００３７】
次に、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の更に他の例を、図８の（Ａ）〜（Ｆ）に示す製造工程図を用いて説明する。この製造方法でも、片持ち梁をSiで形成している。まずスタート基板820 として、図８の（Ａ）に示すように面方位（１００）のｐ型シリコン基板810 の上に、同じく面方位（１００）のｎ型シリコン層801 を積層したものを用いる。このスタート基板820 の作製方法としては、ｐ型シリコン基板810 の上に片持ち梁の第１の層となるｎ型不純物層からなるｎ型シリコン層801 を形成して作製したり、あるいは前記ｐ型シリコン基板810 上に片持ち梁の第１の層となるｎ型エピタキシャル層からなるｎ型シリコン層801 を積層して作製してもよい。次に図８の（Ｂ）に示すように、探針形成用のレプリカ穴812 をシリコン基板810 まで貫通するように形成する。本実施例においても、第３実施例と同様にレプリカ穴812 の形成にはドライエッチング法、湿式エッチング法とも使用可能である。
【００３８】
以下図６に示した製造方法と全く同様の方法で、図８の（Ｃ）〜（Ｅ）に示すように、探針形成部材822 の堆積とエッチング、片持ち梁を構成する第２の層803 の堆積、片持ち梁805 の形成、酸化シリコン膜815 の形成、支持部804 となるガラス基板の接合までを行う。
【００３９】
その後、前記スタート基板820 の裏面をエッチングするわけであるが、この時前記ｐ型シリコン基板810 と前記ｎ型不純物層あるいは前記ｎ型エピタキシャル層からなるｎ型シリコン層801 とに、電源814 で電位差を与えながら、前記ｐ型シリコン基板810 を水酸化カリウム水溶液等のアルカリ水溶液でエッチング除去する。この手法をとることにより、ｐ型シリコン基板810 が徐々にエッチングされ、ｎ型不純物層あるいはｎ型エピタキシャル層からなるｎ型シリコン層801 が露出したとき、その界面に酸化シリコン膜が形成されるため、エッチングが自動的に停止する。そして最後にフッ化水素酸水溶液により酸化シリコン膜815 を除去することによって、図８の（Ｆ）に示すように、ガラス製の支持部804 とシリコン製の片持ち梁805 と探針部802 とからなるＡＦＭカンチレバー800 が得られる。
【００４０】
次に、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の更に他の例を、図９の（Ａ）〜（Ｆ）に示す製造工程図に基づいて説明する。この製造方法においても同様にSiを片持ち梁の形成部材として用いるものである。この製造方法においては、スタート基板920 として、図９の（Ａ）に示すように面方位（１００）のｐ型シリコン基板910 の上に、片持ち梁の第１の層となる面方位（１１１）のシリコン基板901 を貼り合わせたものを使用する。次に図９の（Ｂ）に示すように、探針形成用のレプリカ穴912 をシリコン基板910 まで貫通するように形成する。
【００４１】
以下図６に示した製造方法と全く同様の工程により、図９の（Ｃ）〜（Ｆ）に示すように、探針形成部材922 の堆積とエッチング、片持ち梁を構成する第２の層903 の堆積、片持ち梁905 の形成、酸化シリコン膜915 の形成、支持部904 となるガラス基板の接合、シリコン基板910 のエッチング除去の各工程を経て、ガラス製の支持部904 とシリコン製の片持ち梁905 と探針部902 とからなるＡＦＭカンチレバー900 が得られる。
【００４２】
この製造方法によれば、スタート基板920 として面方位（１００）のシリコン基板910 の上に面方位（１１１）のシリコン基板901 を貼り合わせたものを使用しているため、下地シリコン基板910 をエッチング除去する際に、確実にシリコン基板901 の界面でエッチングを停止させることができる。これは例えば、水酸化カリウム水溶液をエッチング液として使用した場合、（１１１）面のエッチング速度は、（１００）面のそれの約１／400 に低下するためである。
【００４３】
次に、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第２実施例を、図２に示す横断面図に基づいて説明する。この実施例は、片持ち梁の梁として機能する部分を第１の層で構成し、第２の層は探針部の配置部分のみを覆うように配置して構成することを特徴としている。
【００４４】
すなわち、この実施例のＡＦＭカンチレバー200 は、第１実施例と同様に、片持ち梁205 と、該片持ち梁205 の先端に設けられた探針部202 と、片持ち梁205 の基部に設けられた支持部204 より構成されている。探針部202 は、片持ち梁を構成する第１の層201 の下面に基部202aを配置し、先端部を該第１の層を貫通して上面より突出形成しており、そして基部202aの裏面側に第２の層を配置し該基部202aを挟み込むように構成されている。但し、第１実施例とは異なり、片持ち梁を構成する第２の層203 は、探針部202 の基部202aとその周辺のみに形成されている。
【００４５】
このように、片持ち梁205 を構成する第２の層203 は、探針部202 の基部202aを挟み込んで保持することが第１の目的であるから、探針部の基部上に形成されておればよく、必ずしも第１の層201 の下面全体に配置する必要はない。この構成によって、片持ち梁205 を構成する第２の層203 に使用する材料の選択範囲が飛躍的に増大する。
【００４６】
次に、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第３実施例を、図３に示す断面図に基づいて説明する。この実施例においては第２実施例とは逆に、片持ち梁の梁として機能する部分を第２の層のみで構成し、第１の層は探針部の配置部分のみを覆うように配置して構成したものである。
【００４７】
すなわち、この実施例のＡＦＭカンチレバー300 は、第１実施例と同様に、片持ち梁305 と、該片持ち梁305 の先端に設けられた探針部302 と、片持ち梁305 の基部に設けられた支持部304 とで構成されている。探針部302 は、片持ち梁を構成する第１の層301 の下面に基部302aを配置し、先端部を該第１の層を貫通して上面より突出形成しており、基部302aの裏面側に第２の層303 を配置し、基部302aを挟み込むように構成されている。そして第２実施例とは逆に、片持ち梁305 の第１の層301 を、探針部302 の基部302aとその周辺のみに形成するようにしている。この構成によって、片持ち梁305 を構成する第１の層301 に使用する材料の選択範囲が増大し、応用範囲が広がる。
【００４８】
次に、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第４実施例を、図４の（Ａ）〜（Ｃ）に基づいて説明する。この実施例は、片持ち梁405 を構成する第２の層403 の探針部402 の基部402aの裏面に対応する部分に開口432 をもつ構成を特徴とするものである。第２の層403 への開口432 は、片持ち梁405 を構成する第２の層403 を探針部402 に形成した後、マスクパターンを形成し、エッチングによって形成される。この時の第２の層403 は、図４の（Ａ）に示すように、片持ち梁405 を構成する第１の層401 全体に沿って形成してもよく、また図４の（Ｃ）に示すように、探針部402 の支持部分のみに形成してもよい。
【００４９】
この実施例のＡＦＭカンチレバーにおいて、探針部402 にSi3 Ｎ4 等の光透過性の材料を用い、片持ち梁の第２の層403 に反射防止膜を用いることにより、ＳＮＯＭ測定に使用可能なＡＦＭカンチレバーが得られる。
【００５０】
【発明の効果】
以上実施例に基づいて説明したように、請求項１記載の発明によれば、片持ち梁を構成する第１の層と第２の層とで重ね合わせ方向から探針部を挟み込む構成としているので、探針部の材料を片持ち梁とは別個に選択可能となる。しかも探針部はその基部で片持ち梁に挟まれて結合されているので接合強さが十分に確保でき、探針部と片持ち梁に互いに接着性の悪い材料をそれぞれ選択してＡＦＭカンチレバーを形成することも可能である。したがって、探針部は用途に応じた部材を選択することができ、さまざまな測定に応用可能なＡＦＭカンチレバーを実現することが可能となる。また、探針部を薄膜で形成し、片持ち梁を構成する第２の層で芯を形成して探針部を２層構造とすることによって、比較的柔軟な材料や厚膜の形成が困難な材料でも探針部が形成可能となる。
【００５１】
請求項２記載の発明によれば、特異な工程を経ることなく、容易に請求項１のＡＦＭカンチレバーが形成可能となる。また請求項３記載の発明によれば、探針部を挟み込んで固定するために用いられる片持ち梁の第１及び第２の層が片持ち梁に応力等の影響を与えないように構成したＡＦＭカンチレバーを実現することが可能となる。したがって、探針部の固定に用いる片持ち梁の第１の層又は第２の層の材料の選択範囲が拡大し、遮光膜や光透過性の膜など自由に選択でき、測定感度の向上に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第１実施例を示す斜視図と横断面図並びに第１実施例の変形例の要部を示す断面図である。
【図２】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第２実施例を示す横断面図である。
【図３】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第３実施例を示す横断面図である。
【図４】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第３実施例及びその変形例を示す図である。
【図５】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の一例を説明するための製造工程図である。
【図６】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の他の例を説明するための製造工程図である。
【図７】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の更に他の例を説明するための製造工程図である。
【図８】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の更に他の例を説明するための製造工程図である。
【図９】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の更に他の例を説明するための製造工程図である。
【図10】従来のＡＦＭカンチレバーの製造方法を説明するための製造工程図である。
【図11】従来考えられたＡＦＭカンチレバー及びその欠点を説明するための図である。
【符号の説明】
100,200,300,400,500,600,700,800,900 ＡＦＭカンチレバー
101,201,301,401,501,601,701,801,901 片持ち梁の第１の層
102,202,302,402,502,602,702,802,902 探針部
103,203,303,403,503,603,703,803,903 片持ち梁の第２の層
104,204,304,404,504,604,704,804,904 支持部
105,205,305,405,505,605,705,805,905 片持ち梁
112 探針部の芯部
432 開口部
510,610,710,810,910 シリコンウエハ
512,612,712,812,912 レプリカ穴
620,720,820,920 スタート基板
522,622,722,822,922 探針形成部材
814 電源
【産業上の利用分野】
この発明は、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope : ＡＦＭ）に用いるＡＦＭカンチレバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、導電性試料を原子サイズオーダーの分解能で観察できる装置として、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Microscope ）が Binnig と Rohrer らにより発明されてから、原子オーダーの表面凹凸を観察できる顕微鏡として各方面での利用が進んでいる。しかしＳＴＭでは、観察できる試料は導電性のものに限られている。
【０００３】
そこで、ＳＴＭにおけるサーボ技術を利用しながら、ＳＴＭでは測定し難かった絶縁性の試料を、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、原子間力顕微鏡が提案されている（特開昭６２−１３０３０２号，出願人：ＩＢＭ，発明者：Ｇ．ビニッヒ，発明の名称：サンプル表面の像を形成する方法及び装置，参照）。
【０００４】
一方、最近ＳＮＯＭ（Scanning Near-field Optical Microscope）測定が注目されている。これはＳＴＭやＡＦＭと同じく走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope ：ＳＰＭ）の一種で、光照射されている試料近傍で光透過性のある探針を走査することによって、極めて分解能の高い光学像を得る測定方法である。そして光透過性を有する窒化シリコン膜製の探針を持つＡＦＭカンチレバーを、このＳＮＯＭ測定に適用できることが報告されている〔N.F.van Hulst,M.H.P.Moers,O.F.J.Moordman,R.G.Tack,F.B.Segerink,B.Bolger : Near-field optical microscope using a silicon-nitride probe, Appl.Phys.lett.62,461(1993 ）参照〕。
【０００５】
ＡＦＭの構造はＳＴＭに類似しており、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一つとして位置づけられる。ＡＦＭでは、自由端に鋭い突起部分（探針部）を持つカンチレバーを試料に対向・近接して配置し、探針部の先端の原子と試料原子との間に働く相互作用により、変位する片持ち梁の動きを電気的あるいは光学的にとらえて測定しつつ、試料をＸＹ方向に走査し、片持ち梁の探針部との位置関係を相対的に変化させることによって、試料の凹凸情報などを原子サイズオーダーで三次元的にとらえることができるようになっている。
【０００６】
上述したようなＡＦＭ等における走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）用のカンチレバーチップとしては、T.R.Albrechtらが半導体ＩＣ製造プロセスを応用して作製することのできる酸化シリコン膜製のカンチレバーを提案して以来〔Thonas R.Albrecht and Calvin F.Quate : Atomic resolution imaging of a nonconductor Atomforce Microscopy, J.Appl.Phy.62(1987)2599参照〕、ミクロンオーダーの高精度で優れた再現性を持って作製することが可能なっている。また、このようなカンチレバーチップは、バッチプロセスによって作製することができ、低コスト化が実現されている。よって現在では、半導体ＩＣ製造プロセスを応用して作製されるカンチレバーチップが主流となっている。
【０００７】
ＡＦＭの測定方式としては、試料と探針を１nm程度に近接させて測定する接触方式、５〜10nm離して測定する非接触方式、試料表面を探針で軽くたたきながら移動させて測定するタッピング方式等がある。これらの測定方式のうち、非接触方式及びタッピング方式では堅いカンチレバーを用いる必要がある。
【０００８】
堅いカンチレバーを作製するためには、レバー膜を厚くする必要があり、このうよなＡＦＭカンチレバーとして、探針部、レバー、支持部をシリコンで一体に形成するものが広く知られている〔例えば、O.Wolter,Th.Bayer, and J.Greschner : Micromachined silicon sensors for scanning force microscopy, J.Vac.Sci.Technol.B9(2),May/April 1991参照〕。
【０００９】
このシリコン一体形成型のＡＦＭカンチレバーは、前述したものとおなじく半導体製造技術を用いて作製するため、ミクロンオーダーの高精度で非常に再現性よく作製することができると共に、レバーをシリコン基板で形成するため厚いレバーを作製することが容易である。また探針部がシリコンで形成されているため、シリコンに不純物をあらかじめ拡散させておくことにより、探針部に導電性を付加させることができるので、ＳＴＭ測定や表面修飾、加工も可能である。
【００１０】
次に、図10を参照しながら、従来より実施されている半導体ＩＣ製造プロセスを応用した窒化シリコン膜製ＡＦＭカンチレバーの製造方法について説明する。まず、図10の（Ａ）に示すように、面方位（１００）Si基板1010上に窒化シリコン膜パターン1001を設け、スタート基板1020を形成する。次に図10の（Ｂ）に示すように、この窒化シリコン膜パターン1001を耐エッチングマスクとして、Si基板1010にカンチレバーの探針部の型となる四角錐状のレプリカ穴1012を形成する。この後、図10の（Ｃ）に示すように、一旦窒化シリコン膜パターン1001を除去し、Si基板1010上に新たなカンチレバーの母材料となる窒化シリコン膜1003を堆積する。更に図10の（Ｄ）に示すように、この窒化シリコン膜1003をカンチレバーの形状に選択エッチングすることにより、カンチレバーパターン1005を形成する。次いで図10の（Ｅ）に示すように、このカンチレバーパターン1005上の所定領域に、カンチレバーの支持部材となるパイレックスガラス1004を陽極接合する。続いて、図10の（Ｆ）に示すように、Si基板1010をエッチングにより除去し、支持部、レバー部（片持ち梁）及び探針部を備えたＡＦＭカンチレバー1000が得られる。
【００１１】
したがって、この製法により製造されるＡＦＭカンチレバーは、ガラス製の支持部と窒化シリコン膜で一体形成された探針部及び片持ち梁とにより構成される。そして、このように構成されたＡＦＭカンチレバーは、ミクロンオーダーの高精度で非常に再現性よく作製することができ、しかも探針部が材料的性質として親水性である窒化シリコン膜で形成されているので、生体試料に有効な液中でのＡＦＭ測定に適している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記図10で示した製造方法で作製された、窒化シリコン膜で探針部及び片持ち梁を一体形成した従来のＡＦＭカンチレバーは、次のような問題点がある。すなわち、まず、カンチレバーの厚さはレプリカ穴形成後に堆積する窒化シリコン膜の堆積膜厚で決定されるが、窒化シリコン膜堆積時の応力によって発生するクラックや基板のそりを回避するため、堆積できる膜厚は１μｍ程度が限界となる。したがって、前述した非接触方式やタッピング方式の測定に有効な堅いカンチレバーを形成することが困難である。また、探針部が絶縁性の窒化シリコン膜で構成されるため、ＳＴＭ測定や表面修飾、加工などへの応用が困難である。
【００１３】
また、窒化シリコン膜製のＡＦＭカンチレバーにおいては、下地基板のエッチング除去後の片持ち梁の反りを回避するため、用いる窒化シリコン膜の組成としては、通常の半導体ＩＣに用いられるSiと窒素の含有比３：４のものより、Si含有比の高いものを使用する必要がある。このようなSi含有比の高い窒化シリコン膜では、波長400 nm以下の短波長でSiによる光吸収のため、光透過性が劣化することを我々は見いだしている。
【００１４】
前述したように、窒化シリコン一体形成型のＡＦＭカンチレバーはＳＮＯＭ測定に使用可能ではあるが、測定試料からの蛍光をＳＮＯＭによりスペクトル分析しようとする場合には、幅広い波長領域での探針部の光透過性が要求される。ところが、このＡＦＭカンチレバーは探針部とレバーを一括形成しているため、探針部は短波長領域で光透過性の劣化するSi含有比の高い窒化シリコン膜で形成されることになり、このような測定には不適当である。
【００１５】
更に、窒化シリコン膜製の探針部及びシリコン製の探針部の何れも機械的強度が弱く、このようなカンチレバーを用いての超微細な機械的加工技術への応用には、従来のＡＦＭカンチレバーは不向きである。このように従来の半導体製造技術を用いて作製するＡＦＭカンチレバーは、探針部と片持ち梁を同一材料で形成していたため、探針部としての要求特性と片持ち梁としての要求特性とを同時に満たすことが困難であった。
【００１６】
探針部に求められる性能と、片持ち梁に求められる性能を同時に満たす方法としては、探針部と片持ち梁の構成部材をそれぞれ独立に任意に構成すればよいことは容易に考えつくが、数μｍ〜数十μｍ程度の探針を別に用意した片持ち梁に接着することは容易ではない。そこで図11の（Ａ）に示すように、同一基板上で片持ち梁1101と探針部1102を順に続けて形成することが考えられるが、この場合には片持ち梁1101と探針部1102の界面1103の状態により、図11の（Ｂ）に示すように、基板のエッチング時に探針部1102がとれたり、片持ち梁1101と探針部1102の構成材料の接合性の相性が悪い場合などは、探針部1102が片持ち梁1101につかない等の不具合が考えられる。なお図11の（Ａ），（Ｂ）において、1104は支持部を示している。
【００１７】
本発明は、従来の半導体製造技術を用いて作製するＡＦＭカンチレバーにおける上記問題点を解消するためになされたもので、各種の用途、使用方法におのおの要求されるレバー特性と探針特性とを共に満足させることの可能なＡＦＭカンチレバーを提供することを目的とする。
そのために請求項１記載の発明は、片持ち梁と探針部を個別に接合性よく構成することが可能なＡＦＭカンチレバーを提供することを目的としている。請求項２記載の発明は、請求項１記載のＡＦＭカンチレバーにおいて、特異な工程を経ることなく容易に形成可能なＡＦＭカンチレバーを提供することを目的とする。請求項３記載の発明は、請求項１記載のＡＦＭカンチレバーにおいて、探針部を挟み込んで固定するために用いられた部材が片持ち梁に応力等の影響を与えないようにしたＡＦＭカンチレバーを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段及び作用】
上記問題点を解決するため、請求項１記載の発明は、片持ち梁の支持部と、該支持部より延びるように配置された片持ち梁と、該片持ち梁の自由端であって、該片持ち梁に対して前記支持部と反対側である裏面に設けた探針部とを備えたＡＦＭカンチレバーにおいて、前記片持ち梁は第１の層と第２の層の重ね合わせ２層部を備え、前記探針部の基部を、前記片持ち梁の第１の層と第２の層の重ね合わせ２層部で重ね合わせ方向に挟み込んで、前記探針部を片持ち梁に結合して構成するものである。
【００１９】
このような片持ち梁を構成する第１の層と第２の層とで重ね合わせ方向から探針部を挟み込む構成としているので、片持ち梁と探針部をそれぞれ別個の部材で容易に構成することが可能となり、用途、使用方法に応じて、探針部及び片持ち梁にそれぞれ要求される特性を持たせることができる。例えば、片持ち梁形成部材としてSiを用いると堅いレバー特性が得られ、窒化シリコン膜を用いると柔らかいレバー特性が得られる。そして各片持ち梁に対して光透過性、親水性、導電性、硬質性等の各種特性をもつ探針部を、用途に応じて形成することが可能となる。また探針部はその基部を片持ち梁の重ね合わせ２層部で重ね合わせ方向に挟まれて結合されているので、接合強さが十分に確保でき、接着性の悪い材料をそれぞれ選択してカンチレバーを形成することも可能である。また探針部を薄膜で形成し、片持ち梁を構成する第２の層で芯を形成して探針部を２層構造とすることによって、比較的柔軟な部材や厚膜の形成が困難な部材でも探針部が形成可能となる。
【００２０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のＡＦＭカンチレバーにおいて、片持ち梁を全長に亘って第１の層と第２の層の重ね合わせ２層部で構成するものである。これにより、特異な工程を経ることなく、請求項１記載のＡＦＭカンチレバーを容易に形成することができる。
【００２１】
請求項３記載の発明は、請求項１記載のＡＦＭカンチレバーにおいて、探針部の基部を挟み込む結合部分にのみ、片持ち梁の第１の層と第２の層の重ね合わせ２層部を形成するものである。これにより、探針部の結合部分によって片持ち梁に応力等の影響を与えないＡＦＭカンチレバーを提供することが可能となり、探針部の固定に用いる材料の選択範囲が拡大し、遮光膜や光透過性膜など自由に選択でき、測定感度の向上を図ることが可能となる。
【００２２】
【実施例】
次に実施例について説明する。図１の（Ａ）は、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第１実施例を示す全体斜視図で、図１の（Ｂ）はその断面図である。この実施例のＡＦＭカンチレバー100 は片持ち梁105 と、該片持ち梁105 の先端に設けられた探針部102 と、該片持ち梁105 の基部に設けられた支持部104 より構成されている。探針部102 は、片持ち梁を構成する第１の層101 の下面にその基部102aが支持され、該第１の層101 を貫通して上面から突出して配設され、そして基部102aは片持ち梁105 を構成する第２の層103 によって、図１の（Ｂ）に示されるように挟み込まれて固着されている。片持ち梁105 の構成材料には、シリコン，窒化シリコンが適している。探針部102 の形成材料には、用途に応じて光透過性、導電性、硬質性等の各種特性を有する部材を適宜選択できる。そして、支持部104 にはガラス，Si等を用いることができる。
【００２３】
探針部102 の形成部材として、光透過性のある窒化シリコン膜，酸化シリコン膜，ＩＴＯ，SnＯ2 等を用いることにより、ＳＮＯＭ測定やそのスペクトル測定が可能となる。なお、この場合に用いる窒化シリコン膜としては、Siと窒素との含有比が３：４である膜組成のものを使用した方が、従来のＡＦＭカンチレバーに使用されている低応力化した窒化シリコン膜よりも適している。これは低応力化した窒化シリコン膜では、Siの含有比が多いため、波長400 nm以下でSiによる光吸収に起因する光透過性の低下が見られるからである。
【００２４】
一方、探針部102 の形成部材として導電性材料を用いれば、ＡＦＭ測定のみならずＳＴＭ測定、あるいはＳＴＭを用いた原子、分子操作等の表面修飾や加工にも適用可能である。導電性材料としては各種金属を用いることができるが、特にMo，Ｗ等の高融点金属及びそのシリサイドを使用することにより、探針部の形成部材の成膜後も高温熱処理することが可能となり、作製上の制約が少ない。また前述のＩＴＯ，SnＯ2 等の透明電極材料を用いることにより、ＡＦＭ、ＳＮＯＭ、ＳＴＭ測定を全て行うことが可能となる。更にまた、探針部の形成部材として、SiＣやＤＬＣ（Diamond Like Carbon ）等の硬質材料を用いることにより、被加工体表面を走査して削る等の超微細な機械的加工技術も可能となる。
【００２５】
本実施例では、片持ち梁の第１の層の下面に探針部の基部を形成し、更にその上から第２の層を形成する構成であるから、探針部は片持ち梁の内部に強固に保持されることになる。この特徴を利用して、探針部に片持ち梁の部材と接合性の悪い部材を用いたＡＦＭカンチレバーも形成可能となる。
【００２６】
また本実施例では、片持ち梁全体を第１の層101 と第２の層103 で構成しており、第１の層101 と第２の層103 に同一部材を用いる場合や低応力部材を用いる場合に適している。また、第１及び第２の２層の応力差を利用して片持ち梁の反りを取り除く場合や、反りを任意に設定する場合にも応用可能であることから、第１の層と第２の層にそれぞれ別個の部材を用いることもできる。
【００２７】
更に、図１の（Ｃ）に示すように、片持ち梁の第２の層103 を構成する膜を、探針部102 の内部にも入り込ませることができるので、探針部102 を薄めに形成して、片持ち梁の第２の層103 で探針部内部に芯112 を形成することにより、軟らかい部材等の探針部の形成も可能となる。
【００２８】
次に本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の一例を、図５の（Ａ）〜（Ｆ）に示す製造工程図に基づいて説明する。まず図５の（Ａ）に示すように、面方位（１００）のSi基板510 に片持ち梁を構成するSiＮ等からなる第１の膜501 を堆積し、探針形成部を開口する。続いてSi基板510 にレプリカ穴512 をエッチングにより形成する。エッチングにはドライエッチング、ウェットエッチング共に使用可能であり、エッチングマスクとしては酸化シリコン膜等を用いる。次にレプリカ穴512 を含む図５の（Ａ）に示す基板表面にSi3 Ｎ4 等の探針形成部材522 を堆積し、レプリカ穴の部分にマスクパターンを形成した後、探針部を除いた周辺部の形成部材522 をエッチングして、図５の（Ｂ）に示すように、探針部502 を得る。この時、第１の膜501 の表面に酸化シリコン膜等を形成してエッチングのストッパーに用いると、エッチングの制御が容易である。次に図５の（Ｃ）に示すように、表面の酸化シリコン膜をエッチングにより除去した第１の膜501 と探針部502 の表面に、片持ち梁を構成するSiＮ等からなる第２の膜503 を堆積する。次いで、この表面に片持ち梁の形状にマスクパターンを形成し、エッチングして基板510 を露出させて、図５の（Ｄ）に示すように、片持ち梁505 を得、熱処理して表面に酸化シリコン膜515 を形成する。
【００２９】
その後、図５の（Ｅ）に示すように、片持ち梁505 の探針部502 とは反対側の一端の表面に、支持部504 を接合する。この支持部504 の接合方法としては、例えばあらかじめ片面に溝を形成したパイレックスガラス（例えばコーニング♯7740）を陽極接合したり、あるいは適当な支持部材を接着剤等を用いて接合する方法が用いられる。その後、図５の（Ｆ）に示すように、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液のアルカリ水溶液により、下地Si基板510 をエッチング除去し、最後にフッ化水素酸水溶液により酸化シリコン膜515 を除去することによって、例えばガラス製の支持部504 とSiＮ製の片持ち梁505 とSi3 Ｎ4 製の探針部502 により構成された本発明に係るＡＦＭカンチレバー500 を得ることができる。
【００３０】
次に、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の他の例を、図６の（Ａ）〜（Ｆ）に示す製造工程図に基づいて説明する。この製造方法は、片持ち梁をSiで形成するものである。まず、スタート基板620 として、図６の（Ａ）に示すように、面方位（１００）のシリコンウエハ610 の表面に酸化シリコン膜611 を形成した後、例えばｎ型の同じく面方位（１００）を持ったシリコンウエハ601 を貼り合わせたもの、いわゆる貼り合わせＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を使用する。ここで、シリコンウエハ601 は片持ち梁を構成する第１の層を形成するものであり、その厚さは必要とするレバーの特性に合わせて設定される。例えば、その厚さは２μｍ程度である。
【００３１】
次に図６の（Ｂ）に示すように、上記スタート基板620 の表面の探針部を形成すべき場所に、下地シリコンウエハ610 まで貫通するように、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いてスタート基板620 をエッチングすることによって、レプリカ穴612 を形成する。次に図６の（Ｃ）に示すように、例えばSi3 Ｎ4 等の探針形成部材622 をＣＶＤ法等で基板表面に堆積し、次いで上記レプリカ穴部分にマスクパターンを形成した後、上記探針形成部材622 をエッチングして、レプリカ穴部分を除き基板表面を露出させ、探針部602 を形成する。その後、図６の（Ｄ）に示すように、基板表面に片持ち梁を構成する例えば多晶質シリコン等の第２の層の形成部材603 をＣＶＤ法等で堆積する。その後、図６の（Ｅ）に示すように、片持ち梁形成用マスクパターンを形成した後、ＲＩＥ法等により第２の層の形成部材603 及び上部シリコンウエハ601 をエッチングして片持ち梁605 を形成し、更にその後、第２の層の形成部材603 とシリコンウエハ601 からなる片持ち梁605 の表面に、酸化シリコン膜615 を形成する。
【００３２】
以下図５に示した製造方法と同様の方法で、図６の（Ｅ）〜（Ｆ）に示すように、支持部604 を形成し、シリコンウエハ610 をエッチング除去し、最後に表面の酸化シリコン膜615 を除去することにより、ＡＦＭカンチレバー600 が得られる。
【００３３】
次に、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の更に他の例を、図７の（Ａ）〜（Ｆ）に示す製造工程図を用いて説明する。この製造方法でも、第２実施例と同様に、片持ち梁をSiで形成している。まずスタート基板720 として、図７の（Ａ）に示すように面方位（１００）のｎ型シリコンウエハ710 の上に、片持ち梁の第１の層となる高濃度のｐ型不純物拡散層701 を形成したものを用いる。このｐ型不純物拡散層701 としては、例えば表面濃度１×1019〜1.5 ×1020／cm3 程度のボロン拡散層を用いる。次に図７の（Ｂ）に示すように、探針形成用のレプリカ穴712 をシリコンウエハ710 まで貫通するように形成する。なお図６に示した製造方法においては、レプリカ穴の形成にＲＩＥ等のドライエッチング法を用いたが、本製造方法においては、それに加えてＫＯＨ水溶液による湿式エッチング法を用いることも可能である。
【００３４】
以下図６に示した製造方法と全く同様の方法で、図７の（Ｃ）〜（Ｅ）に示すように、探針形成部材722 の堆積とエッチング、片持ち梁を構成する第２の層703 の堆積、片持ち梁705 の形成、酸化シリコン膜715 の形成、支持部704 となるガラス基板の接合までを行う。
【００３５】
その後、シリコンウエハ710 をエチレンジアミンピロカテコール水溶液（ＥＤＰ）によりエッチング除去する。このエッチング液においては、第１の層となる高濃度のｐ型不純物拡散層701 のエッチングレートが著しく減少するため、シリコンウエハ710 が徐々にエッチングされ、ｐ型不純物拡散層701 からなる片持ち梁705 が露出したとき、エッチングが自動的に停止する。そして最後にフッ化水素酸水溶液により酸化シリコン膜715 を除去することによって、図７の（Ｆ）に示すように、ガラス製の支持部704 とシリコン製の片持ち梁705 と探針部702 とからなるＡＦＭカンチレバー700 が得られる。
【００３６】
この製造方法によれば、スタート基板として特殊な基板を必要としないため、更に安価に本発明に係るＡＦＭカンチレバーを製造することができる。
【００３７】
次に、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の更に他の例を、図８の（Ａ）〜（Ｆ）に示す製造工程図を用いて説明する。この製造方法でも、片持ち梁をSiで形成している。まずスタート基板820 として、図８の（Ａ）に示すように面方位（１００）のｐ型シリコン基板810 の上に、同じく面方位（１００）のｎ型シリコン層801 を積層したものを用いる。このスタート基板820 の作製方法としては、ｐ型シリコン基板810 の上に片持ち梁の第１の層となるｎ型不純物層からなるｎ型シリコン層801 を形成して作製したり、あるいは前記ｐ型シリコン基板810 上に片持ち梁の第１の層となるｎ型エピタキシャル層からなるｎ型シリコン層801 を積層して作製してもよい。次に図８の（Ｂ）に示すように、探針形成用のレプリカ穴812 をシリコン基板810 まで貫通するように形成する。本実施例においても、第３実施例と同様にレプリカ穴812 の形成にはドライエッチング法、湿式エッチング法とも使用可能である。
【００３８】
以下図６に示した製造方法と全く同様の方法で、図８の（Ｃ）〜（Ｅ）に示すように、探針形成部材822 の堆積とエッチング、片持ち梁を構成する第２の層803 の堆積、片持ち梁805 の形成、酸化シリコン膜815 の形成、支持部804 となるガラス基板の接合までを行う。
【００３９】
その後、前記スタート基板820 の裏面をエッチングするわけであるが、この時前記ｐ型シリコン基板810 と前記ｎ型不純物層あるいは前記ｎ型エピタキシャル層からなるｎ型シリコン層801 とに、電源814 で電位差を与えながら、前記ｐ型シリコン基板810 を水酸化カリウム水溶液等のアルカリ水溶液でエッチング除去する。この手法をとることにより、ｐ型シリコン基板810 が徐々にエッチングされ、ｎ型不純物層あるいはｎ型エピタキシャル層からなるｎ型シリコン層801 が露出したとき、その界面に酸化シリコン膜が形成されるため、エッチングが自動的に停止する。そして最後にフッ化水素酸水溶液により酸化シリコン膜815 を除去することによって、図８の（Ｆ）に示すように、ガラス製の支持部804 とシリコン製の片持ち梁805 と探針部802 とからなるＡＦＭカンチレバー800 が得られる。
【００４０】
次に、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の更に他の例を、図９の（Ａ）〜（Ｆ）に示す製造工程図に基づいて説明する。この製造方法においても同様にSiを片持ち梁の形成部材として用いるものである。この製造方法においては、スタート基板920 として、図９の（Ａ）に示すように面方位（１００）のｐ型シリコン基板910 の上に、片持ち梁の第１の層となる面方位（１１１）のシリコン基板901 を貼り合わせたものを使用する。次に図９の（Ｂ）に示すように、探針形成用のレプリカ穴912 をシリコン基板910 まで貫通するように形成する。
【００４１】
以下図６に示した製造方法と全く同様の工程により、図９の（Ｃ）〜（Ｆ）に示すように、探針形成部材922 の堆積とエッチング、片持ち梁を構成する第２の層903 の堆積、片持ち梁905 の形成、酸化シリコン膜915 の形成、支持部904 となるガラス基板の接合、シリコン基板910 のエッチング除去の各工程を経て、ガラス製の支持部904 とシリコン製の片持ち梁905 と探針部902 とからなるＡＦＭカンチレバー900 が得られる。
【００４２】
この製造方法によれば、スタート基板920 として面方位（１００）のシリコン基板910 の上に面方位（１１１）のシリコン基板901 を貼り合わせたものを使用しているため、下地シリコン基板910 をエッチング除去する際に、確実にシリコン基板901 の界面でエッチングを停止させることができる。これは例えば、水酸化カリウム水溶液をエッチング液として使用した場合、（１１１）面のエッチング速度は、（１００）面のそれの約１／400 に低下するためである。
【００４３】
次に、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第２実施例を、図２に示す横断面図に基づいて説明する。この実施例は、片持ち梁の梁として機能する部分を第１の層で構成し、第２の層は探針部の配置部分のみを覆うように配置して構成することを特徴としている。
【００４４】
すなわち、この実施例のＡＦＭカンチレバー200 は、第１実施例と同様に、片持ち梁205 と、該片持ち梁205 の先端に設けられた探針部202 と、片持ち梁205 の基部に設けられた支持部204 より構成されている。探針部202 は、片持ち梁を構成する第１の層201 の下面に基部202aを配置し、先端部を該第１の層を貫通して上面より突出形成しており、そして基部202aの裏面側に第２の層を配置し該基部202aを挟み込むように構成されている。但し、第１実施例とは異なり、片持ち梁を構成する第２の層203 は、探針部202 の基部202aとその周辺のみに形成されている。
【００４５】
このように、片持ち梁205 を構成する第２の層203 は、探針部202 の基部202aを挟み込んで保持することが第１の目的であるから、探針部の基部上に形成されておればよく、必ずしも第１の層201 の下面全体に配置する必要はない。この構成によって、片持ち梁205 を構成する第２の層203 に使用する材料の選択範囲が飛躍的に増大する。
【００４６】
次に、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第３実施例を、図３に示す断面図に基づいて説明する。この実施例においては第２実施例とは逆に、片持ち梁の梁として機能する部分を第２の層のみで構成し、第１の層は探針部の配置部分のみを覆うように配置して構成したものである。
【００４７】
すなわち、この実施例のＡＦＭカンチレバー300 は、第１実施例と同様に、片持ち梁305 と、該片持ち梁305 の先端に設けられた探針部302 と、片持ち梁305 の基部に設けられた支持部304 とで構成されている。探針部302 は、片持ち梁を構成する第１の層301 の下面に基部302aを配置し、先端部を該第１の層を貫通して上面より突出形成しており、基部302aの裏面側に第２の層303 を配置し、基部302aを挟み込むように構成されている。そして第２実施例とは逆に、片持ち梁305 の第１の層301 を、探針部302 の基部302aとその周辺のみに形成するようにしている。この構成によって、片持ち梁305 を構成する第１の層301 に使用する材料の選択範囲が増大し、応用範囲が広がる。
【００４８】
次に、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第４実施例を、図４の（Ａ）〜（Ｃ）に基づいて説明する。この実施例は、片持ち梁405 を構成する第２の層403 の探針部402 の基部402aの裏面に対応する部分に開口432 をもつ構成を特徴とするものである。第２の層403 への開口432 は、片持ち梁405 を構成する第２の層403 を探針部402 に形成した後、マスクパターンを形成し、エッチングによって形成される。この時の第２の層403 は、図４の（Ａ）に示すように、片持ち梁405 を構成する第１の層401 全体に沿って形成してもよく、また図４の（Ｃ）に示すように、探針部402 の支持部分のみに形成してもよい。
【００４９】
この実施例のＡＦＭカンチレバーにおいて、探針部402 にSi3 Ｎ4 等の光透過性の材料を用い、片持ち梁の第２の層403 に反射防止膜を用いることにより、ＳＮＯＭ測定に使用可能なＡＦＭカンチレバーが得られる。
【００５０】
【発明の効果】
以上実施例に基づいて説明したように、請求項１記載の発明によれば、片持ち梁を構成する第１の層と第２の層とで重ね合わせ方向から探針部を挟み込む構成としているので、探針部の材料を片持ち梁とは別個に選択可能となる。しかも探針部はその基部で片持ち梁に挟まれて結合されているので接合強さが十分に確保でき、探針部と片持ち梁に互いに接着性の悪い材料をそれぞれ選択してＡＦＭカンチレバーを形成することも可能である。したがって、探針部は用途に応じた部材を選択することができ、さまざまな測定に応用可能なＡＦＭカンチレバーを実現することが可能となる。また、探針部を薄膜で形成し、片持ち梁を構成する第２の層で芯を形成して探針部を２層構造とすることによって、比較的柔軟な材料や厚膜の形成が困難な材料でも探針部が形成可能となる。
【００５１】
請求項２記載の発明によれば、特異な工程を経ることなく、容易に請求項１のＡＦＭカンチレバーが形成可能となる。また請求項３記載の発明によれば、探針部を挟み込んで固定するために用いられる片持ち梁の第１及び第２の層が片持ち梁に応力等の影響を与えないように構成したＡＦＭカンチレバーを実現することが可能となる。したがって、探針部の固定に用いる片持ち梁の第１の層又は第２の層の材料の選択範囲が拡大し、遮光膜や光透過性の膜など自由に選択でき、測定感度の向上に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第１実施例を示す斜視図と横断面図並びに第１実施例の変形例の要部を示す断面図である。
【図２】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第２実施例を示す横断面図である。
【図３】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第３実施例を示す横断面図である。
【図４】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第３実施例及びその変形例を示す図である。
【図５】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の一例を説明するための製造工程図である。
【図６】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の他の例を説明するための製造工程図である。
【図７】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の更に他の例を説明するための製造工程図である。
【図８】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の更に他の例を説明するための製造工程図である。
【図９】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの製造方法の更に他の例を説明するための製造工程図である。
【図10】従来のＡＦＭカンチレバーの製造方法を説明するための製造工程図である。
【図11】従来考えられたＡＦＭカンチレバー及びその欠点を説明するための図である。
【符号の説明】
100,200,300,400,500,600,700,800,900 ＡＦＭカンチレバー
101,201,301,401,501,601,701,801,901 片持ち梁の第１の層
102,202,302,402,502,602,702,802,902 探針部
103,203,303,403,503,603,703,803,903 片持ち梁の第２の層
104,204,304,404,504,604,704,804,904 支持部
105,205,305,405,505,605,705,805,905 片持ち梁
112 探針部の芯部
432 開口部
510,610,710,810,910 シリコンウエハ
512,612,712,812,912 レプリカ穴
620,720,820,920 スタート基板
522,622,722,822,922 探針形成部材
814 電源
Claims (3)
- 片持ち梁の支持部と、該支持部より延びるように配置された片持ち梁と、該片持ち梁の自由端であって、該片持ち梁に対して前記支持部と反対側である裏面に設けた探針部とを備えたＡＦＭカンチレバーにおいて、前記片持ち梁は第１の層と第２の層の重ね合わせ２層部を備え、前記探針部の基部を、前記片持ち梁の第１の層と第２の層の重ね合わせ２層部で重ね合わせ方向に挟み込んで、前記探針部を片持ち梁に結合していることを特徴とするＡＦＭカンチレバー。
- 前記片持ち梁は、全長に亘って第１の層と第２の層の重ね合わせ２層部で構成されていることを特徴とする請求項１記載のＡＦＭカンチレバー。
- 前記片持ち梁は、前記探針部の基部を挟み込む結合部分にのみ、第１の層と第２の層の重ね合わせ２層部を備えていることを特徴とする請求項１記載のＡＦＭカンチレバー。
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