JP3590109B2 - 集積型spmセンサ - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
この発明は、走査型プローブ顕微鏡(SPM:Scanning Probe Microscope )に用いられる集積型SPMセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
1980年代後半以降、エバネッセント波を用いることにより回折限界を超える分解能を有する光学顕微鏡が提案されている。この顕微鏡は、近視野顕微鏡(SNOM:Scanning near field optical microscope)と呼ばれている。このSNOMは、エバネッセント波が“波長より小さい寸法の領域に局在し、自由空間を伝搬しない”という特性を利用したものである。
【0003】
SNOMの測定原理は、まず、測定試料の表面近傍に1波長程度以下の距離までプローブを近づけて、プローブ先端の微小開口を通過する光強度の地図を作成することによって、測定試料に対する解像が成されるものである。SNOMとしてはいくつかの方式が提案されているが、大別すると2つの方式が提案されている。その一つはコレクション方式と呼ばれ、試料の下から光を照射した時に、試料を透過し試料表面近傍に局在したエバネッセント波を、プローブを介して検出しSNOM像とする方式である。他の方式は、微小開口を持ったプローブから試料に対して光を照射し、試料を透過した光を、試料下に設置された光検出器によって検出するという、いわゆるエミッション方式と呼ばれる方式である。この方式は、例えば特開平4−291310号(AT&T;R. E. Betzig)に開示されている。
【0004】
また、BinnigとRohrerらにより発明された走査トンネル顕微鏡(STM;Scanning Tunneling Microscope )におけるサーボ技術を始めとする要素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(AFM;Atomic Force Microscope )が提案されている(特開昭62−130302号:IBM、G.ビニッヒ、サンプル表面の像を形成する方法及び装置)。
【0005】
この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・近接させ、探針部の先端の原子と試料原子との間に働く相互作用力により、変位するカンチレバー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、カンチレバー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3次元的にとらえることができるようになっている。
【0006】
このAFMにおいては、カンチレバーの変位を測定する変位測定センサは、カンチレバーとは別途に設けるのが一般的である。しかし最近では、カンチレバー自体に変位を測定できる機能を付加した集積型AFMセンサが、M.Tortonese らにより提案されている。この集積型AFMセンサは、例えばM.Tortonese,H.Yamada, R.C.Barrett and C.F.Quate の論文“Atomic force microscopy using a piezoresistive cantilever ”(Transducers and Sensors '91 )や、PCT出願WO92/12398に開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前述のM.Tortonese らにより提案されている集積型AFMセンサは、カンチレバーに歪みセンサを集積化したものであるが、同様に歪みセンサだけでなく、光検出機能をもつセンサや温度センサ、磁気センサ等を集積化することは容易に考えられる。またカンチレバー上に光センサと歪みセンサのように、複数のセンサを複合集積化することも容易に考えられる。
【0008】
集積型AFMセンサに光センサを集積化することにより、SNOM測定に利用することが可能となる。このようなセンサとしては、例えばシリコンで形成されたカンチレバー上に光センサとしてPNフォトダイオードを集積化すること等が考えられる。
【0009】
しかしながら、これらのセンサは電流変換検出センサであり、しかもその出力電流は微弱である。したがって、暗電流による影響は大きく、暗電流の発生を抑えなければ、検出感度の大幅な向上は期待できない。
【0010】
ここで、暗電流の発生メカニズムについて説明する。半導体表面に光や熱が加わると、正孔−電子対が発生する。また半導体表面の荒れによっても正孔−電子対は発生する。このように発生した正孔−電子対は半導体中で分かれ、正孔はn型半導体へ、電子はp型半導体へ引き寄せられる。その結果、p型半導体からなる基板からn型半導体からなる基板へ電位差が生じ、同方向に電流が流れる。フォトダイオードなどのセンサは、この性質を利用したものであるが、センサ部以外でも前述の外的作用により電流が発生する。これが暗電流となり、センサの感度を低下させる原因となっている。
【0011】
次にシリコンカンチレバーにおける暗電流について説明する。まず,シリコンカンチレバーの製造工程を図8に基づいて説明する。スタートウェハ100 としては、図8の(A)に示すように、シリコンウェハ101 の上に酸化シリコンの分離層102 を介してシリコン層103 を設けたもの、例えばnタイプ〈100〉貼り合わせウェハを用意する。このスタートウェハ100 のシリコン層103 の表面は鏡面加工されており、また分離層102 も〈100〉面である。次に、図8の(B)に示すように、ウェハ100 の表面を熱処理して酸化シリコン膜104 を形成する。次に、フォトリソグラフィで探針形成部の酸化シリコン膜を残すように気相エッチング等によりエッチングを行い、表面に酸化シリコンマスク104aを形成し、次いでKOH等で異方性エッチングを行って探針105 を形成する。また裏面の支持部形成領域に窒化シリコン膜106 を形成する。
【0012】
次いで、図8の(C)に示すように、探針105 とウェハ表面を熱処理して酸化シリコン膜107 を形成し、フォトリソグラフィでパターニングした後、KOH等でエッチングし、カンチレバーの形状を形成する。最後に窒化シリコン膜106 をマスクとして裏面をエッチングして、支持部108 を形成した後、表面の酸化シリコン膜107 を取り除くことにより、最終的に図8の(D)に示すようなシリコンカンチレバー109 が形成される。
【0013】
以上の工程から解るように、カンチレバー109 の探針105 の形成面と、その裏面は、〈100〉面となり、それらの表面は滑らかである。一方、他の面は荒れており、この荒れにより、カンチレバーの側面では暗電流が発生する。また迷光や温度差による暗電流は、カンチレバーの全ての面で発生する可能性がある。
【0014】
本発明は、従来の集積型SPMセンサにおける上記問題点を解消するためになされたもので、請求項1及び2記載の発明は、暗電流の発生を防止し検出感度の高い電流変換検出素子を備えた集積型SPMセンサを提供することを目的とする。また請求項3記載の発明は、検出感度の高い2種類以上の測定を行えるようにした集積型SPMセンサを提供することを目的とし、また請求項4記載の発明は、SNOM測定とAFM測定を同時に高感度で行えるようにした集積型SPMセンサを提供することを目的とする。
【0015】
【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、自由端に探針部を有する半導体からなるカンチレバー部と、該カンチレバー部の基端部を支持する支持部と、前記カンチレバー部に設けられた電流変換検出素子とを備えた集積型SPMセンサにおいて、前記カンチレバー部の少なくとも端面部表面に高濃度拡散層を形成するものである。また請求項2記載の発明は、前記高濃度拡散層を前記カンチレバー部に設けた電流変換検出素子を囲むように形成するものである。
【0016】
このように構成することにより、電流変換検出素子領域以外のカンチレバー部で発生した正孔−電子対は、表面に形成した高濃度不純物拡散層で再結合し、暗電流の発生は防止され、高検出感度の集積型SPMセンサを実現することができる。
【0017】
また請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の発明において、電流変換検出素子を2種以上の検出素子で構成するものである。これにより高感度の2種類以上の測定を行える集積型SPMセンサを実現することができる。
【0018】
また請求項4記載の発明は、請求項3記載の発明において、電流変換検出素子を、半導体光検出素子と歪み検出素子とで構成するものである。これによりSNOM測定とAFM測定を同時に高感度で行える集積型SPMセンサを実現することができる。
【0019】
【実施例】
次に実施例について説明する。図1の(A)は本発明に係る集積型SPMセンサの第1実施例を示す縦断面図で、図1の(B)は探針方向から見た平面図で、図1の(C)は図1の(A)の矢印A−A′に沿った断面図で、図1の(D)は図1の(B)の矢印B−B′に沿った断面図である。この実施例の集積型SPMセンサは、支持部2から延びたN型シリコン基板からなるカンチレバー1の先端部に探針3を備えており、探針3の表面及びその周辺部にはP型シリコン層5が形成されている。そしてP型シリコン層5はP+ 型シリコン層6及びコンタクトホールを介して、アルミニウム等からなる電極8に接続されている。また同様にP型シリコン層5の端部から10μm以上離れたカンチレバー1の表面に、N+ 型シリコン層7が形成されており、コンタクトホールを介してアルミニウム等からなる電極9に接続されている。
【0020】
そして電極8,9はそれぞれアルミニウム配線10,11を介してアルミニウムパッド12,13に接続されている。カンチレバー1の端面及び裏面には1×1019cm-3程度の不純物濃度のN型高濃度拡散層14が一体的に形成されており、そしてカンチレバー1の全体は、コンタクトホールと探針3の先端部を除いてシリコン酸化膜4で覆われている。なお、P+ 型シリコン層6とN+ 型シリコン層7は、電極8,9とP型シリコン層5,及びカンチレバー1を構成しているN型シリコンとのオーミックコンタクトを取るために設けているものであり、P型シリコン層5及びN型シリコンそれぞれの濃度が十分高く、オーミックコンタクトが取れるならば、P+ 型シリコン層6とN+ 型シリコン層7は、必ずしも必要ではない。
【0021】
次に、このように構成した集積型カンチレバーの動作について説明する。動作時には、電極8と9の間には、3〜4ボルトの逆バイアスの電圧を印加しておく。電極8と9の間のP型シリコン層5とN型シリコン(カンチレバー1)はPNフォトダイオードを形成しており、電極8,9間にはP型シリコン層5が形成されている探針3に入射した光の光量に比例した電流が流れ、配線10,11及びパッド12,13を介して検出することができる。この際、カンチレバー1の探針3及び電極8,9の配置部分以外の表面で発生した正孔−電子対は直ちに高濃度拡散層で捕捉されて再結合し、カンチレバー内部において暗電流となって発生することは阻止される。したがって、本実施例の集積型SPMセンサによれば、暗電流の発生が抑えられ、ノイズの少ない、より高感度のSNOM測定を行うことができる。
【0022】
また上記実施例では、高濃度拡散層をカンチレバーの裏面側の表面及び端面の表面に形成したものを示したが、図2の変形例に示すように、P+ 型シリコン層6とN+ 型シリコン層7から十分距離を置くことにより、カンチレバー1の内部に高濃度拡散層14を設けても構わない。また上記実施例では、カンチレバーの探針形成面側には高濃度拡散層を形成しないものを示したが、図3の(A)の平面図及び図3の(B)の断面図に示すように、フォトダイオード部及びP+ 型シリコン層6及びN+ 型シリコン層7の形成部を除いて、探針形成面側の表面にも形成することが可能である。
【0023】
また、カンチレバーの探針形成面とその裏面は滑らかで、暗電流の発生は他の側面部に比べて小さいので、図4の断面図に示すように、この両面には高濃度拡散層を形成しないで、カンチレバーの側面部の表面にのみ形成するように構成しても、かなりの暗電流抑制効果が得られ、有効である。
【0024】
次に、第2実施例について説明する。図5の(A)は第2実施例の縦断面図で、図5の(B)は一部省略した探針側から見た平面図である。この実施例は、第1実施例の集積型SPMセンサにおけるカンチレバー1上にピエゾ抵抗16を設けて歪み検出素子とし、AFM測定を同時に行えるように構成したものである。ピエゾ抵抗16の両端部にはアルミニウムパッド17,18を介してアルミニウム配線19,20を接続し、電流の変化を検出して歪みを測定するようになっている。そして高濃度拡散層14は探針側の面以外のカンチレバー1の表面部に形成している。
【0025】
ピエゾ抵抗16からなる歪み検出素子は電流変換検出素子であるため、光検出素子と同様に暗電流の影響を受ける。したがって、本実施例のように光検出素子と歪み検出素子とを設けたカンチレバーの表面に高濃度拡散層を形成することにより、光検出素子と歪み検出素子の両方から暗電流の影響を取り去ることができ、高感度のSNOM測定が行えると共に、ノイズの少ない高感度のAFM測定を同時に行うことができる。
【0026】
この実施例では、高濃度拡散層14はカンチレバー1の探針側の表面には形成しないようにしたものを示したが、図6の(A),(B)の縦断面図及び横断面図に示すように、カンチレバー1の探針側の表面にも、ピエゾ抵抗16と光センサ部を囲むように、高濃度拡散層14を設けてもよい。
【0027】
また、上記各実施例においては、図7の(A)の拡大図に示すように、P型シリコン層5を探針3の先端部まで形成したものを示したが、図7の(B)に示すように、P型シリコン層5は探針3の先端部には形成せず、探針3の先端部はN型シリコン層で形成する構成としてもよい。また図7の(C),(D)に示すように、探針先端部以外にアルミニウム等からなる遮光膜21を形成し、遮光するように構成してもよい。
【0028】
なお、上記各実施例においては、カンチレバーの形状を略I字型としたものを示したが、U字型やE字型のカンチレバーを用いた集積型SPMセンサにも、本発明は同様に適用できるものである。
【0029】
また上記各実施例では、N型シリコン基板をベースとしてカンチレバーを構成したものを示したが、P型シリコン基板をベースにしてP型シリコン層とN型シリコン、P+ 型シリコン層とN+ 型シリコン層を、それぞれ逆の導電型にして構成してもよい。
【0030】
【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及び2記載の発明によれば、カンチレバー部内での暗電流の発生は防止され、暗電流の影響を除去した高感度の集積型SPMセンサを実現することができる。また請求項3記載の発明によれば、暗電流の影響を除去した高感度の2種類以上の測定を行えるようにした集積型SPMセンサを提供することができる。また請求項4記載の発明によれば、暗電流の影響を除去した高感度のSNOM測定とAFM測定を同時に行えるようにした集積型SPMセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る集積型SPMセンサの第1実施例を示す図である。
【図2】図1に示した第1実施例の変形例を示す縦断面図である。
【図3】図1に示した第1実施例の他の変形例を示す横断面図である。
【図4】図1に示した第1実施例の更に他の変形例を示す横断面図である。
【図5】本発明の第2実施例を示す図である。
【図6】図5に示した第2実施例の変形例を示す図である。
【図7】第1及び第2実施例における探針部の構成例を示す図である。
【図8】従来の集積型SPMセンサの製造工程を示す図である。
【符号の説明】
1 カンチレバー
2 支持部
3 探針
4 シリコン酸化膜
5 P型シリコン層
6 P+ 型シリコン層
7 N+ 型シリコン層
8,9 電極
10,11 配線
12,13 パッド
14 高濃度拡散層
16 ピエゾ抵抗
17,18 パッド
19,20 配線
21 遮光膜
Claims (4)
- 自由端に探針部を有する半導体からなるカンチレバー部と、該カンチレバー部の基端部を支持する支持部と、前記カンチレバー部に設けられた電流変換検出素子とを備えた集積型SPMセンサにおいて、前記カンチレバー部の少なくとも端面部表面に高濃度拡散層を形成したことを特徴とする集積型SPMセンサ。
- 前記高濃度拡散層を前記カンチレバー部に設けた電流変換検出素子を囲むように形成したことを特徴とする請求項1記載の集積型SPMセンサ。
- 前記電流変換検出素子として、異なる2種類以上の検出素子を備えていることを特徴とする請求項1又は2記載の集積型SPMセンサ。
- 前記電流変換検出素子として、カンチレバー部の探針近傍に設けた半導体光検出素子とカンチレバー部に設けた歪み検出素子を備えていることを特徴とする請求項3記載の集積型SPMセンサ。
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Applications Claiming Priority (1)
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JP27306594A JP3590109B2 (ja) | 1994-10-13 | 1994-10-13 | 集積型spmセンサ |
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