JP3600433B2 - 走査型プローブとその製造方法及び走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、走査型プローブ顕微鏡に用いられるプローブ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＮＯＡＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｎｅａｒｆｉｅｌｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）すなわち走査型近視野原子間力顕微鏡においてなされる近接場光学測定に用いられるプローブの従来例が、図１１に示される。
【０００３】
図１１において、この種のプローブ１０１は、光伝送用の光ファイバーによって作製される。より詳しくは、光ファイバーを、いわゆる加熱引っ張り法に従い、加熱してテーパー状に細く引き延ばして小口径に絞り針状に先鋭化した後、切断して微小開口１０２を担う先端部を形成する。そして、ベント工程後、さらにその先端を除く光ファィバー全体の外周部に例えばアルミニウムを約１００ｎｍの厚さに傾斜回転蒸着法でコートすることによって、プローブ１０１が作製される。
【０００４】
かかるプローブ１０１には、先鋭化の施されていない光ファイバーのもう一端側１０３からレーザー光が導入され、プローブ先端の微小開口１０２から試料表面に対して光が出力されるようにしている。これにより、試料表面より生じた散乱光を試料の近傍に置かれた対物レンズで集光しＳＮＯＡＭ像（ＮＳＯＭ像）を得るイルミネーションモード（大津元一：応用物理，第６５巻，第１号（１９９６）ｐｐ．２−１２参照）を含む近接場光学測定が達成される。
【０００５】
一方、このプローブ１０１は、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ）すなわち原子間力顕微鏡としての観測にも用いることができる。ＡＦＭの場合は、試料とプローブとの相互作用によって生じるレバー部１０Ｌの変位を、レーザー光を用いた光てこ方式により検出することにより可能である。この場合、レバー部１０Ｌのレーザー照射領域１１１に金属被着させることによってミラー面を形成し、かかる変位検出の為の当該レーザー光の反射を高めるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のプローブにおいては、プローブ先端の微小開口１０２を形成するのに光ファイバーを加熱し小口径に絞ることで実現している。このために、微小開口１０２の再現性、すなわち各プローブにおいて形成される微小開口部のサイズや性能についての均一性が良くない、という問題がある。
【０００７】
また、プローブ先端の先鋭化されているところ以外は光ファイバーのクラッド等によって被覆されるので太くならざるを得ず、当該プローブの実際の変位に基づいて行われる原子間力顕微鏡観察等では高い分解能が得られない、という問題もある。
【０００８】
よって本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、その主たる目的とするところは、形成される微小開口部の均一性が良く、しかも原子間力顕微鏡観察等に用いた場合にも高い分解能を得ることのできる走査型プローブ顕微鏡のプローブ及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、走査型プローブ顕微鏡に用いられる走査型プローブであって、自由端部及び固定端部を有する可撓性カンチレバー部と、前記自由端部に立設された探針とを備え、前記探針は、表面が金属膜で被覆され突出した先端先鋭部と、該先端先鋭部の近傍において外部に露出する光伝送層と、を有することを特徴としている。
【００１０】
この請求項１の発明によれば、探針に表面が金属膜で被覆され突出した先端先鋭部を有しているため、原子間力顕微鏡観察で高分解能が得られるとともに、該先端先鋭部の近傍において外部に露出する光伝送層を有しているため、該光伝送層の外部露出開口部は均一性が向上し、近接場光学測定の光導波路として、導入された光を探針部先端部へと効率良く導き、探針部先端近傍において光の入出力が可能となる。
【００１１】
請求項２に係る発明は、走査型プローブ顕微鏡に用いられる走査型プローブの製造方法であって、カンチレバー部に先端先鋭化された探針を形成する探針形成工程と、前記探針形状に従って、光反射特性を有する金属膜により一方及び他方の界面が被覆され、前記探針の突出した先端先鋭部近傍において外部に露出する光伝送層を形成する光導波路形成工程と、を有することを特徴としている。
【００１２】
この請求項２の発明によれば、探針部近傍へと光を導く上記光導波路が、先鋭化された探針形状に沿い半導体製造プロセスを応用して形成され得る。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項１記載の走査型プローブを備えた走査型プローブ顕微鏡であることを特徴としている。
【００１４】
この請求項３の発明によれば、表面が金属膜で被覆され突出した先端先鋭部を有する探針による高分解能な原子間力顕微鏡としての観察と、探針の先端先鋭部の近傍において外部に露出する光伝送層の均一な開口による近接場光学測定とが同時に行える走査型プローブ顕微鏡が提供できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
【実施の形態１】
図１は、この発明の一実施の形態による走査型プローブ顕微鏡に用いられるプローブの概略構造を示しており、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその長手断面図である。
【００２１】
図１において、このプローブは、原子間力顕微鏡や走査型マクスウェル応力顕微鏡等で用いられている片持ち梁式のカンチレバー型に形成される。より詳しくは、プローブの主部を担うカンチレバー部１０は、可撓性であり、Ｓｉ （シリコン）によって長手状に形成され、支持台２０に一端が固定支持されるとともに他端が自由端となっている。
【００２２】
カンチレバー部１０の他端側には、ティップと呼ばれる先鋭状または針状の探針１１が当該カンチレバー部とここでは一体に成形される。探針１１は、カンチレバー部１０の略変位方向に立設される。
【００２３】
光導波路を担う光伝送層３０は、ＳｉＯｘ、例えばＳｉＯ2 により形成され、カンチレバー部１０の一主面すなわち探針１１の配される側の面のみならず、探針１１の表面に沿って延在する。但し、この光伝送層３０は、金属薄膜４０によってその一方及び他方の界面が被覆され、より詳しくは、光伝送層３０が探針１１の先端近傍において外部に露出する形で金属薄膜４０によって被覆される。これにより、探針１１の先鋭先端１ｅの近傍が開口されるとともに、図１（ｂ）の長手断面図から分かるように、光伝送層３０は上層側からも下層側からも金属薄膜４０によって挟み込まれた形で探針１１の先端付近まで延在する構造となる。
【００２４】
金属薄膜４０は、光伝送層３０における光の導波性を高めるためのものであり、例えばＡｌ （アルミ）やＮｂ （ニオブ）などの光反射特性を有する金属薄膜が好適である。
【００２５】
このように金属薄膜４０により被覆された光伝送層３０は、レバー固定部１２側の端部より探針１１の先端部近傍へと高効率にて近接場光学測定用のレーザー光を導く光導波路を形成することとなる。
【００２６】
以上のような構成のプローブによれば、光伝送層３０に導入されたレーザー光は、光伝送層３０内を通じ探針１１の先端近傍から試料面へ出力することが可能となって近接場光学測定が達成されるとともに、原子間力顕微鏡さらには請求項第４項に記載された探針部先端付近に、第１金属膜を被覆したことを利用して、走査型マクスウェル応力顕微鏡等に好適な片持ち梁式のカンチレバー型プローブによる、光てこ方式の検出を行うことができる。
【００３３】
【実施の形態３】
図１に示した実施の形態１は、図３に示されるような実施の形態に改変することも可能である。この図３においても、（ａ）はプローブの平面図であり、（ｂ）はその長手断面図である。また、図１と同等の部分には同一の符号が付されている。
【００３４】
すなわち、かかる改変態様として、光伝送層３０及びこれを被覆する金属薄膜４０からなる光導波路を、カンチレバー部１０上において、カンチレバー部１０の幅よりも小なる幅に形成することができる。これにより、カンチレバー部１０のバネ定数を抑えることができ、原子間力顕微鏡や走査型マクスウェル応力顕微鏡等においてさらに高い分解能を発揮させることが容易となるのである。
【００３５】
また、図１においてはカンチレバー部１０の自由端側面の箇所において金属薄膜４０が途切れ光伝送層３０が当該箇所において露出されているのに対し、図３においては、かかる箇所で光伝送層３０を完全に閉じるよう金属薄膜４０が形成される。このような構造を採ることにより、光導波路の光漏れを防ぎ、より効率的な光の導波が達成されることとなる。
【００３６】
【実施の形態４】
図４は、本発明のさらに他の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡のプローブの概略構造を示している。なお、同図（ｂ）はその長手断面図である点はこれまでと同様であるが、（ａ）は背面図である。
【００３７】
図４において、このプローブも、原子間力顕微鏡や走査型マクスウェル応力顕微鏡等で用いられている片持ち梁式のカンチレバー型に形成されるが、カンチレバー部１０は、光伝送特性を有するＳｉ Ｏ２ （酸化シリコン）によって形成されるとともに、探針１１の担持面とは反対の面からレーザー光を導入可能とするよう同じく酸化シリコンにより形成された光伝送特性を有する背面光伝送層３１が積層される。
【００３８】
カンチレバー部１０の自由端部側に立設された探針１１は、例えばＳｉ （シリコン）によって形成され、その外表面が第１の金属薄膜４１によって被覆される。
【００３９】
第１の金属薄膜４１には、光伝送特性を有するＳｉ Ｏ２ （酸化シリコン）によって形成される光伝送層３２が積層される。この光伝送層３２は、探針１１の表面に沿うも、探針１１の先端面を露出する形で延在する。
【００４０】
かかる光伝送層３１及び３２並びにカンチレバー部１０は、第２の金属薄膜４２によって被覆される。但し、第２の金属薄膜４２は、背面光伝送層３１を一部露出させる形で成膜される。この露出部は、カンチレバー部１０と支持台２０との結合部寄りに配され、ここからレーザー光が導入可能となっている。
【００４１】
第１及び第２の金属薄膜４１及び４２は、光伝送層３１及び３２並びにカンチレバー部１０における光の導波性を高めるためのものであり、例えばＡｌ （アルミ）やＮｂ （ニオブ）などの光反射特性を有する金属薄膜が好適である。
【００４２】
このように金属薄膜４１及び４２により被覆された光伝送層３１及び３２並びにカンチレバー部１０は、背面光伝送層３１の露出面から探針１１の先端部近傍へと高効率にてレーザー光を導く光導波路を形成することとなる。
【００４３】
以上のような構成のプローブによれば、背面光伝送層３１に導入された光は、カンチレバー部１０及び光伝送層３２を経て探針１１の先端近傍から試料面へと出力することが可能となって近接場光学測定が達成されるとともに、原子間力顕微鏡や走査型マクスウェル応力顕微鏡等に好適な片持ち梁式のカンチレバー型プローブによる光てこ方式の検出を行うことができる。
【００４４】
図４に示されるプローブの斜視図は、図５に示される。ここでは、原子間力顕微鏡や走査型マクスウェル応力顕微鏡等における光てこ方式による検出を実現するためのレーザー光が、探針１１の担持面とは反対の面側からこのプローブに照射される様子を示している。
【００４５】
かかるレーザー光は、金属薄膜４２上の、探針１１に相対する位置に照射される。その金属薄膜４２のレーザー光照射領域は、他の領域よりも面積が大きく、かかる照射領域によって確実にレーザー光を図示せぬ受光素子へと導くようにしている。
【００４６】
以上説明した構造の各プローブは、必ずしも１つの支持台に１つ設けて使用することに限定されない。１つの支持台に複数のプローブを設ける態様を示したのが図６である。
【００４７】
これによれば、上述した複数種類のプローブを１つの支持台に設けることもできるし、同じ種類のプローブを複数１つの支持台に設けることもできる。
【００４８】
次に、上述したプローブの製造方法を説明する。
【００４９】
図７ないし図１０は、上記実施の形態１によるプローブの主な製造工程の態様を示すための当該プローブの主要断面図を示している。なお、以下においては、カンチレバー部及び探針並びにこれらに形成される光導波路についての製造工程を抜粋して説明しており、これら各部以外の支持台その他の製造態様については省略している。
【００５０】
先ず図７（ａ）に示されるように、シリコン基板１の表面を熱酸化することにより、所定の膜厚のシリコン酸化膜（Ｓｉ Ｏ２ ）１Ｍを形成する。このシリコン酸化膜１Ｍは、後に探針を形成する際のエッチングマスクとなるものである。
【００５１】
そして、図７（ｂ）に示されるように、シリコン酸化膜１Ｍ上にフォトレジスト１Ｒを塗布し、さらに図７（ｃ）に示されるように、このフォトレジスト１Ｒに対してフォトリソグラフィ技術を使って円形のパターニングを施し、レジストマスク１Ｒ０ を形成する。
【００５２】
その後、図７（ｄ）に示されるように、上記レジストマスク１Ｒ０ を使ってシリコン酸化膜１Ｍをエッチングすることにより、レジストマスク１Ｒ０ のパターンが転写されたマスク（Ｓｉ Ｏ２ ）１Ｍ０ が形成される。
【００５３】
マスク（Ｓｉ Ｏ２ ）１Ｍ０ の形成後は、図８（ｅ）に示されるように、マスク１Ｍ０ 上のレジストマスク１Ｒ０ を除去し、図８（ｆ）に示されるように、マスク１Ｍ０ が形成されたシリコン基板１を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）による等方性ドライエッチングを用いて、尖鋭酸化前の円錐形のシリコン突起１１０が形成される。
【００５４】
ここでのエッチングに用いられる反応ガスは、反応を速く進め、かつマスク１Ｍ０ であるシリコン酸化膜とのエッチングの選択比を大きくするために、一般的にはフッ素（Ｆ）系のガスが用いられる。代表的なガスとしては、ＳＦ６ である。なお、フッ素（Ｆ）を含んでいるガスであれば、ＳＦ６ に限定されるものではなく、ＣＦ４ やＣＨＦ３ 等のガスを用いても良い。
【００５５】
また、エッチング後の形状（いわゆる、プロファイル）を任意の形状で得るために、Ｏ２ ガスやＣを含むガスを添加することも有効である。ここでは、ドライエッチングを用いてシリコン突起１１０を形成したが、ウェットエッチングを用いて形成することも可能である。
【００５６】
かかる突起形成のためのエッチングが終了した後は、図８（ｇ）に示されるように、マスク１Ｍ０ を付けたままの状態のシリコン突起１１０に対して尖鋭酸化が行われる。この尖鋭酸化は、摂氏１０００度のウエット熱酸化を６．５時間行って、約１．２μｍの厚さのシリコン酸化膜（Ｓｉ Ｏ２ ）１Ｘを得る。その際、シリコン突起１１０は、その周囲の酸化膜による圧縮応力を受けることによって、先端が尖鋭化される。
【００５７】
このようなシリコン突起１１０の先鋭化処理が終了すると、図８（ｈ）に示されるように、緩衝フッ酸溶液（ＢＨＦ）を用いてマスク１Ｍ０ 及びシリコン酸化膜１Ｘが除去される。かくして、先端が尖鋭化した探針（チップ）１１が得られるとともに、シリコン基板１によってこの探針１１と一体化されたカンチレバー部１０が形成されることとなる。なお、上記（ａ）ないし（ｈ）の各工程は、探針形成工程を担う。
【００５８】
探針１１の形成後は、図９（ｉ）に示されるように、探針１１の形成されたカンチレバー部１０の主面に金属薄膜４０１を蒸着する。より詳しくは、例えばＡｌ （アルミ），Ｎｂ （ニオブ），Ｐｔ（白金），Ｔｉ（チタン），Ｗ（タングステン）若しくはこれらを主成分とする金属薄膜を、下層のカンチレバー部１０に光が吸収されない十分な膜厚として約５０ｎｍ成膜する。
【００５９】
そして、図９（ｊ）に示されるように、この金属薄膜４０１上に上記光伝送層３０を形成する。光伝送層３０は、Ｓｉ Ｏｘ例えばＳｉ Ｏ２ を２μｍ以下の膜厚で蒸着により成膜して形成することができる。
【００６０】
さらに図９（ｋ）に示されるように、光伝送層３０上に金属薄膜４０２を形成する。ここではＮｂ （ニオブ）またはＷを蒸着、スパッタ等によって形成する。また、金属薄膜４０２の膜厚は０．２μｍとすることによってプローブとしての良好な結果を得ている。
【００６１】
図９（ｉ）〜（ｋ）によって光導波路の基礎が出来た後は、探針１１の先端部における微細な加工の処理（エッチバック）に移る。かかる微細加工処理の初めは、図９（ｌ）に示されるように、金属薄膜４０２表面にレジスト４Ｒが塗布される。
【００６２】
次いで、図１０（ｍ）に示されるように、この塗布されたレジスト４Ｒを、酸素（Ｏ２ ）プラズマによって探針１１先端により突起された被覆膜部４０２´が露出するまでエッチングする。これによって薄くなったレジスト４Ｒ´は、次の図１０（ｎ）に示される工程において金属薄膜４０２のエッチングマスクとして使用される。
【００６３】
すなわち、図１０（ｎ）の工程では、上記被覆膜部４０２´を例えばＳＦ６ プラズマによって除去し、探針１１先端により突起された光伝送膜部３０´を露出せしめる。その後は、レジスト４Ｒ´を金属薄膜４０２から剥離することにより、図１０（ｏ）の如き状態を得る。この状態は、金属薄膜４０２が探針１１の突起部周囲において開口した状態に相当する。
【００６４】
レジストＲ´の剥離後は、緩衝フッ酸溶液（ＢＨＦ）によって光伝送膜部３０´が除去されて探針１１による先鋭先端１ｅが露出され、図１０（ｐ）に示されるような形態となる。この形態において、金属薄膜４０１及び４０２は、先の図１に示されるプローブの金属薄膜４０を担うこととなる。なお、上記（ｉ）ないし（ｐ）の各工程は、光導波路形成工程を担う。
【００６５】
かくして、探針１１近傍へと光を導く光導波路は、先鋭化された探針１１に沿い半導体製造プロセスを応用して形成され得るので、従来例におけるような光導波路の微小開口部の均一性の問題が解消され、しかも探針１１の先鋭形状によって一律に定められる確実な微小開口の形成がなされることとなる。
【００６６】
また、従来と同様の原子間力顕微鏡観察を行うことのできるカンチレバー構造を維持しているので、当該観察における分解能を犠牲にすることがない。
【００６７】
さらに、原子間力顕微鏡観察や走査型マクスウェル応力顕微鏡観察用の探針と近接場光学測定用の微小開口という２つのプローブ走査点が同一のモジュールに具備されかつそれらがほぼ同一の位置において実現されるので、これら走査点を別々に、または同時に用いて観測や測定を行うことが可能となる。
【００６８】
なお、以上においては、図１に示される実施の形態１によるプローブについてのみその製造方法を説明したが、探針１１近傍へと光を導く光導波路が先鋭化された探針１１に沿い半導体製造プロセスを応用して形成され得る点はもとより、従来と同様の原子間力顕微鏡観察を行うことのできるカンチレバー構造を維持している点や、２つのプローブ走査点が同一のモジュールに具備されかつそれらがほぼ同一の位置において実現される点は、他の各実施の形態に共通する特徴であり、どれも同様の作用効果を奏することができる。
【００６９】
また、上述においては、Ｓｉ ＯｘとしてＳｉ Ｏ２ を採用した態様につき説明したが、他のシリコン系物質を適用できることは勿論である。
【００７０】
この他にも、上記実施の形態においては種々の手段を限定的に説明したが、当業者の設計可能な範囲にて適宜改変することも可能である。
【００７１】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明によれば、光反射特性を有する金属膜により一方及び他方の界面が被覆された光伝送層が、光導波路として、導入された光を探針部先端部へと効率良く導き、探針部先端近傍において光の入出力が可能となる。
【００７２】
また、本発明によれば、カンチレバー部の一主面及び探針部に沿って延在する光伝送層が、その一方及び他方の界面を光反射特性を有する金属膜によって被覆され、しかも探針部の先端近傍においては光伝送層が外部露出されるので、探針部側に積層された形で形成される光導波路により、導入光を探針部先端部へと効率良く導き、探針部先端近傍において光の入出力が可能となる。
【００７３】
本発明によれば、探針部の先端面を除きカンチレバー部及び探針部を被覆する光反射特性を有する金属膜と、それぞれ光伝送特性を有するカンチレバー及び探針部とによって形成される光導波路が、当該カンチレバー部及び探針部を通じて導入光を探針部先端部へと効率良く導き、探針部先端近傍において光の入出力を可能とする。
【００７４】
さらに、本発明によれば、探針部を被覆する光反射特性を有する第１の金属膜と、第１の金属膜に積層された光伝送層と、探針部の先端近傍において光伝送層を外部露出させつつ光伝送層及びカンチレバー部を被覆する光反射特性を有する第２の金属膜と、光伝送特性を有するカンチレバー部とによって光導波路が形成され、導入光をカンチレバー部を介して探針部先端部へと効率良く導き、探針部先端近傍において光の入出力を可能とする。さらに第１の金属膜は試料表面の電位測定のための電極として機能することが可能となり、試料に光りを照射し、試料表面を励起した状態で、同時に電位測定をすることも可能となる。
【００７５】
また、本発明によれば、探針部近傍へと光を導く上記光導波路が、先鋭化された探針形状に沿い半導体製造プロセスを応用して形成され得る。
【００７６】
かくして本発明によれば、形成される近接場光学測定用の微小開口部の均一性を良好とし、しかも原子間力顕微鏡観察等に用いた場合にも高い分解能を得ることのできる走査型プローブ顕微鏡のプローブ及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による走査型プローブの平面及び長手断面構造の概略を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２による走査型プローブの平面及び長手断面構造の概略を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態３による走査型プローブの平面及び長手断面構造の概略を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態４による走査型プローブの背面及び長手断面構造の概略を示す図である。
【図５】図４のプローブの斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態による走査型プローブを１つの支持台に複数設けた構成を示す概略図である。
【図７】図１のプローブの主要な製造工程のうち最初の４工程を説明するための当該プローブの断面図である。
【図８】図１のプローブの主要な製造工程のうち次の４工程を説明するための当該プローブの断面図である。
【図９】図１のプローブの主要な製造工程のうちさらに続く４工程を説明するための当該プローブの断面図である。
【図１０】図１のプローブの主要な製造工程のうち最後の４工程を説明するための当該プローブの断面図である。
【図１１】従来例によるプローブの構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０ カンチレバー部
１１ 探針
１２ 固定端部
１ｅ 先鋭先端
２０ 支持台
３０ 光伝送層（膜）
４０ 金属薄膜
４１ 第１の金属薄膜
４２ 第２の金属薄膜
３１ 背面光伝送層
３２ 探針部延在光伝送層
１ シリコン基板
１Ｍ シリコン酸化膜
１Ｍ０ マスク
１Ｒ フォトレジスト
１Ｒ０ レジストマスク
１１０ シリコン突起
１Ｘ シリコン酸化膜
４０１，４０２ 金属薄膜
４Ｒ，４Ｒ´ レジスト
４０２´ 露出被覆膜部
３０´ 露出光伝送膜部
【発明の属する技術分野】
この発明は、走査型プローブ顕微鏡に用いられるプローブ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＮＯＡＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｎｅａｒｆｉｅｌｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）すなわち走査型近視野原子間力顕微鏡においてなされる近接場光学測定に用いられるプローブの従来例が、図１１に示される。
【０００３】
図１１において、この種のプローブ１０１は、光伝送用の光ファイバーによって作製される。より詳しくは、光ファイバーを、いわゆる加熱引っ張り法に従い、加熱してテーパー状に細く引き延ばして小口径に絞り針状に先鋭化した後、切断して微小開口１０２を担う先端部を形成する。そして、ベント工程後、さらにその先端を除く光ファィバー全体の外周部に例えばアルミニウムを約１００ｎｍの厚さに傾斜回転蒸着法でコートすることによって、プローブ１０１が作製される。
【０００４】
かかるプローブ１０１には、先鋭化の施されていない光ファイバーのもう一端側１０３からレーザー光が導入され、プローブ先端の微小開口１０２から試料表面に対して光が出力されるようにしている。これにより、試料表面より生じた散乱光を試料の近傍に置かれた対物レンズで集光しＳＮＯＡＭ像（ＮＳＯＭ像）を得るイルミネーションモード（大津元一：応用物理，第６５巻，第１号（１９９６）ｐｐ．２−１２参照）を含む近接場光学測定が達成される。
【０００５】
一方、このプローブ１０１は、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ）すなわち原子間力顕微鏡としての観測にも用いることができる。ＡＦＭの場合は、試料とプローブとの相互作用によって生じるレバー部１０Ｌの変位を、レーザー光を用いた光てこ方式により検出することにより可能である。この場合、レバー部１０Ｌのレーザー照射領域１１１に金属被着させることによってミラー面を形成し、かかる変位検出の為の当該レーザー光の反射を高めるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のプローブにおいては、プローブ先端の微小開口１０２を形成するのに光ファイバーを加熱し小口径に絞ることで実現している。このために、微小開口１０２の再現性、すなわち各プローブにおいて形成される微小開口部のサイズや性能についての均一性が良くない、という問題がある。
【０００７】
また、プローブ先端の先鋭化されているところ以外は光ファイバーのクラッド等によって被覆されるので太くならざるを得ず、当該プローブの実際の変位に基づいて行われる原子間力顕微鏡観察等では高い分解能が得られない、という問題もある。
【０００８】
よって本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、その主たる目的とするところは、形成される微小開口部の均一性が良く、しかも原子間力顕微鏡観察等に用いた場合にも高い分解能を得ることのできる走査型プローブ顕微鏡のプローブ及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、走査型プローブ顕微鏡に用いられる走査型プローブであって、自由端部及び固定端部を有する可撓性カンチレバー部と、前記自由端部に立設された探針とを備え、前記探針は、表面が金属膜で被覆され突出した先端先鋭部と、該先端先鋭部の近傍において外部に露出する光伝送層と、を有することを特徴としている。
【００１０】
この請求項１の発明によれば、探針に表面が金属膜で被覆され突出した先端先鋭部を有しているため、原子間力顕微鏡観察で高分解能が得られるとともに、該先端先鋭部の近傍において外部に露出する光伝送層を有しているため、該光伝送層の外部露出開口部は均一性が向上し、近接場光学測定の光導波路として、導入された光を探針部先端部へと効率良く導き、探針部先端近傍において光の入出力が可能となる。
【００１１】
請求項２に係る発明は、走査型プローブ顕微鏡に用いられる走査型プローブの製造方法であって、カンチレバー部に先端先鋭化された探針を形成する探針形成工程と、前記探針形状に従って、光反射特性を有する金属膜により一方及び他方の界面が被覆され、前記探針の突出した先端先鋭部近傍において外部に露出する光伝送層を形成する光導波路形成工程と、を有することを特徴としている。
【００１２】
この請求項２の発明によれば、探針部近傍へと光を導く上記光導波路が、先鋭化された探針形状に沿い半導体製造プロセスを応用して形成され得る。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項１記載の走査型プローブを備えた走査型プローブ顕微鏡であることを特徴としている。
【００１４】
この請求項３の発明によれば、表面が金属膜で被覆され突出した先端先鋭部を有する探針による高分解能な原子間力顕微鏡としての観察と、探針の先端先鋭部の近傍において外部に露出する光伝送層の均一な開口による近接場光学測定とが同時に行える走査型プローブ顕微鏡が提供できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
【実施の形態１】
図１は、この発明の一実施の形態による走査型プローブ顕微鏡に用いられるプローブの概略構造を示しており、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその長手断面図である。
【００２１】
図１において、このプローブは、原子間力顕微鏡や走査型マクスウェル応力顕微鏡等で用いられている片持ち梁式のカンチレバー型に形成される。より詳しくは、プローブの主部を担うカンチレバー部１０は、可撓性であり、Ｓｉ （シリコン）によって長手状に形成され、支持台２０に一端が固定支持されるとともに他端が自由端となっている。
【００２２】
カンチレバー部１０の他端側には、ティップと呼ばれる先鋭状または針状の探針１１が当該カンチレバー部とここでは一体に成形される。探針１１は、カンチレバー部１０の略変位方向に立設される。
【００２３】
光導波路を担う光伝送層３０は、ＳｉＯｘ、例えばＳｉＯ2 により形成され、カンチレバー部１０の一主面すなわち探針１１の配される側の面のみならず、探針１１の表面に沿って延在する。但し、この光伝送層３０は、金属薄膜４０によってその一方及び他方の界面が被覆され、より詳しくは、光伝送層３０が探針１１の先端近傍において外部に露出する形で金属薄膜４０によって被覆される。これにより、探針１１の先鋭先端１ｅの近傍が開口されるとともに、図１（ｂ）の長手断面図から分かるように、光伝送層３０は上層側からも下層側からも金属薄膜４０によって挟み込まれた形で探針１１の先端付近まで延在する構造となる。
【００２４】
金属薄膜４０は、光伝送層３０における光の導波性を高めるためのものであり、例えばＡｌ （アルミ）やＮｂ （ニオブ）などの光反射特性を有する金属薄膜が好適である。
【００２５】
このように金属薄膜４０により被覆された光伝送層３０は、レバー固定部１２側の端部より探針１１の先端部近傍へと高効率にて近接場光学測定用のレーザー光を導く光導波路を形成することとなる。
【００２６】
以上のような構成のプローブによれば、光伝送層３０に導入されたレーザー光は、光伝送層３０内を通じ探針１１の先端近傍から試料面へ出力することが可能となって近接場光学測定が達成されるとともに、原子間力顕微鏡さらには請求項第４項に記載された探針部先端付近に、第１金属膜を被覆したことを利用して、走査型マクスウェル応力顕微鏡等に好適な片持ち梁式のカンチレバー型プローブによる、光てこ方式の検出を行うことができる。
【００３３】
【実施の形態３】
図１に示した実施の形態１は、図３に示されるような実施の形態に改変することも可能である。この図３においても、（ａ）はプローブの平面図であり、（ｂ）はその長手断面図である。また、図１と同等の部分には同一の符号が付されている。
【００３４】
すなわち、かかる改変態様として、光伝送層３０及びこれを被覆する金属薄膜４０からなる光導波路を、カンチレバー部１０上において、カンチレバー部１０の幅よりも小なる幅に形成することができる。これにより、カンチレバー部１０のバネ定数を抑えることができ、原子間力顕微鏡や走査型マクスウェル応力顕微鏡等においてさらに高い分解能を発揮させることが容易となるのである。
【００３５】
また、図１においてはカンチレバー部１０の自由端側面の箇所において金属薄膜４０が途切れ光伝送層３０が当該箇所において露出されているのに対し、図３においては、かかる箇所で光伝送層３０を完全に閉じるよう金属薄膜４０が形成される。このような構造を採ることにより、光導波路の光漏れを防ぎ、より効率的な光の導波が達成されることとなる。
【００３６】
【実施の形態４】
図４は、本発明のさらに他の実施の形態による走査型プローブ顕微鏡のプローブの概略構造を示している。なお、同図（ｂ）はその長手断面図である点はこれまでと同様であるが、（ａ）は背面図である。
【００３７】
図４において、このプローブも、原子間力顕微鏡や走査型マクスウェル応力顕微鏡等で用いられている片持ち梁式のカンチレバー型に形成されるが、カンチレバー部１０は、光伝送特性を有するＳｉ Ｏ２ （酸化シリコン）によって形成されるとともに、探針１１の担持面とは反対の面からレーザー光を導入可能とするよう同じく酸化シリコンにより形成された光伝送特性を有する背面光伝送層３１が積層される。
【００３８】
カンチレバー部１０の自由端部側に立設された探針１１は、例えばＳｉ （シリコン）によって形成され、その外表面が第１の金属薄膜４１によって被覆される。
【００３９】
第１の金属薄膜４１には、光伝送特性を有するＳｉ Ｏ２ （酸化シリコン）によって形成される光伝送層３２が積層される。この光伝送層３２は、探針１１の表面に沿うも、探針１１の先端面を露出する形で延在する。
【００４０】
かかる光伝送層３１及び３２並びにカンチレバー部１０は、第２の金属薄膜４２によって被覆される。但し、第２の金属薄膜４２は、背面光伝送層３１を一部露出させる形で成膜される。この露出部は、カンチレバー部１０と支持台２０との結合部寄りに配され、ここからレーザー光が導入可能となっている。
【００４１】
第１及び第２の金属薄膜４１及び４２は、光伝送層３１及び３２並びにカンチレバー部１０における光の導波性を高めるためのものであり、例えばＡｌ （アルミ）やＮｂ （ニオブ）などの光反射特性を有する金属薄膜が好適である。
【００４２】
このように金属薄膜４１及び４２により被覆された光伝送層３１及び３２並びにカンチレバー部１０は、背面光伝送層３１の露出面から探針１１の先端部近傍へと高効率にてレーザー光を導く光導波路を形成することとなる。
【００４３】
以上のような構成のプローブによれば、背面光伝送層３１に導入された光は、カンチレバー部１０及び光伝送層３２を経て探針１１の先端近傍から試料面へと出力することが可能となって近接場光学測定が達成されるとともに、原子間力顕微鏡や走査型マクスウェル応力顕微鏡等に好適な片持ち梁式のカンチレバー型プローブによる光てこ方式の検出を行うことができる。
【００４４】
図４に示されるプローブの斜視図は、図５に示される。ここでは、原子間力顕微鏡や走査型マクスウェル応力顕微鏡等における光てこ方式による検出を実現するためのレーザー光が、探針１１の担持面とは反対の面側からこのプローブに照射される様子を示している。
【００４５】
かかるレーザー光は、金属薄膜４２上の、探針１１に相対する位置に照射される。その金属薄膜４２のレーザー光照射領域は、他の領域よりも面積が大きく、かかる照射領域によって確実にレーザー光を図示せぬ受光素子へと導くようにしている。
【００４６】
以上説明した構造の各プローブは、必ずしも１つの支持台に１つ設けて使用することに限定されない。１つの支持台に複数のプローブを設ける態様を示したのが図６である。
【００４７】
これによれば、上述した複数種類のプローブを１つの支持台に設けることもできるし、同じ種類のプローブを複数１つの支持台に設けることもできる。
【００４８】
次に、上述したプローブの製造方法を説明する。
【００４９】
図７ないし図１０は、上記実施の形態１によるプローブの主な製造工程の態様を示すための当該プローブの主要断面図を示している。なお、以下においては、カンチレバー部及び探針並びにこれらに形成される光導波路についての製造工程を抜粋して説明しており、これら各部以外の支持台その他の製造態様については省略している。
【００５０】
先ず図７（ａ）に示されるように、シリコン基板１の表面を熱酸化することにより、所定の膜厚のシリコン酸化膜（Ｓｉ Ｏ２ ）１Ｍを形成する。このシリコン酸化膜１Ｍは、後に探針を形成する際のエッチングマスクとなるものである。
【００５１】
そして、図７（ｂ）に示されるように、シリコン酸化膜１Ｍ上にフォトレジスト１Ｒを塗布し、さらに図７（ｃ）に示されるように、このフォトレジスト１Ｒに対してフォトリソグラフィ技術を使って円形のパターニングを施し、レジストマスク１Ｒ０ を形成する。
【００５２】
その後、図７（ｄ）に示されるように、上記レジストマスク１Ｒ０ を使ってシリコン酸化膜１Ｍをエッチングすることにより、レジストマスク１Ｒ０ のパターンが転写されたマスク（Ｓｉ Ｏ２ ）１Ｍ０ が形成される。
【００５３】
マスク（Ｓｉ Ｏ２ ）１Ｍ０ の形成後は、図８（ｅ）に示されるように、マスク１Ｍ０ 上のレジストマスク１Ｒ０ を除去し、図８（ｆ）に示されるように、マスク１Ｍ０ が形成されたシリコン基板１を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）による等方性ドライエッチングを用いて、尖鋭酸化前の円錐形のシリコン突起１１０が形成される。
【００５４】
ここでのエッチングに用いられる反応ガスは、反応を速く進め、かつマスク１Ｍ０ であるシリコン酸化膜とのエッチングの選択比を大きくするために、一般的にはフッ素（Ｆ）系のガスが用いられる。代表的なガスとしては、ＳＦ６ である。なお、フッ素（Ｆ）を含んでいるガスであれば、ＳＦ６ に限定されるものではなく、ＣＦ４ やＣＨＦ３ 等のガスを用いても良い。
【００５５】
また、エッチング後の形状（いわゆる、プロファイル）を任意の形状で得るために、Ｏ２ ガスやＣを含むガスを添加することも有効である。ここでは、ドライエッチングを用いてシリコン突起１１０を形成したが、ウェットエッチングを用いて形成することも可能である。
【００５６】
かかる突起形成のためのエッチングが終了した後は、図８（ｇ）に示されるように、マスク１Ｍ０ を付けたままの状態のシリコン突起１１０に対して尖鋭酸化が行われる。この尖鋭酸化は、摂氏１０００度のウエット熱酸化を６．５時間行って、約１．２μｍの厚さのシリコン酸化膜（Ｓｉ Ｏ２ ）１Ｘを得る。その際、シリコン突起１１０は、その周囲の酸化膜による圧縮応力を受けることによって、先端が尖鋭化される。
【００５７】
このようなシリコン突起１１０の先鋭化処理が終了すると、図８（ｈ）に示されるように、緩衝フッ酸溶液（ＢＨＦ）を用いてマスク１Ｍ０ 及びシリコン酸化膜１Ｘが除去される。かくして、先端が尖鋭化した探針（チップ）１１が得られるとともに、シリコン基板１によってこの探針１１と一体化されたカンチレバー部１０が形成されることとなる。なお、上記（ａ）ないし（ｈ）の各工程は、探針形成工程を担う。
【００５８】
探針１１の形成後は、図９（ｉ）に示されるように、探針１１の形成されたカンチレバー部１０の主面に金属薄膜４０１を蒸着する。より詳しくは、例えばＡｌ （アルミ），Ｎｂ （ニオブ），Ｐｔ（白金），Ｔｉ（チタン），Ｗ（タングステン）若しくはこれらを主成分とする金属薄膜を、下層のカンチレバー部１０に光が吸収されない十分な膜厚として約５０ｎｍ成膜する。
【００５９】
そして、図９（ｊ）に示されるように、この金属薄膜４０１上に上記光伝送層３０を形成する。光伝送層３０は、Ｓｉ Ｏｘ例えばＳｉ Ｏ２ を２μｍ以下の膜厚で蒸着により成膜して形成することができる。
【００６０】
さらに図９（ｋ）に示されるように、光伝送層３０上に金属薄膜４０２を形成する。ここではＮｂ （ニオブ）またはＷを蒸着、スパッタ等によって形成する。また、金属薄膜４０２の膜厚は０．２μｍとすることによってプローブとしての良好な結果を得ている。
【００６１】
図９（ｉ）〜（ｋ）によって光導波路の基礎が出来た後は、探針１１の先端部における微細な加工の処理（エッチバック）に移る。かかる微細加工処理の初めは、図９（ｌ）に示されるように、金属薄膜４０２表面にレジスト４Ｒが塗布される。
【００６２】
次いで、図１０（ｍ）に示されるように、この塗布されたレジスト４Ｒを、酸素（Ｏ２ ）プラズマによって探針１１先端により突起された被覆膜部４０２´が露出するまでエッチングする。これによって薄くなったレジスト４Ｒ´は、次の図１０（ｎ）に示される工程において金属薄膜４０２のエッチングマスクとして使用される。
【００６３】
すなわち、図１０（ｎ）の工程では、上記被覆膜部４０２´を例えばＳＦ６ プラズマによって除去し、探針１１先端により突起された光伝送膜部３０´を露出せしめる。その後は、レジスト４Ｒ´を金属薄膜４０２から剥離することにより、図１０（ｏ）の如き状態を得る。この状態は、金属薄膜４０２が探針１１の突起部周囲において開口した状態に相当する。
【００６４】
レジストＲ´の剥離後は、緩衝フッ酸溶液（ＢＨＦ）によって光伝送膜部３０´が除去されて探針１１による先鋭先端１ｅが露出され、図１０（ｐ）に示されるような形態となる。この形態において、金属薄膜４０１及び４０２は、先の図１に示されるプローブの金属薄膜４０を担うこととなる。なお、上記（ｉ）ないし（ｐ）の各工程は、光導波路形成工程を担う。
【００６５】
かくして、探針１１近傍へと光を導く光導波路は、先鋭化された探針１１に沿い半導体製造プロセスを応用して形成され得るので、従来例におけるような光導波路の微小開口部の均一性の問題が解消され、しかも探針１１の先鋭形状によって一律に定められる確実な微小開口の形成がなされることとなる。
【００６６】
また、従来と同様の原子間力顕微鏡観察を行うことのできるカンチレバー構造を維持しているので、当該観察における分解能を犠牲にすることがない。
【００６７】
さらに、原子間力顕微鏡観察や走査型マクスウェル応力顕微鏡観察用の探針と近接場光学測定用の微小開口という２つのプローブ走査点が同一のモジュールに具備されかつそれらがほぼ同一の位置において実現されるので、これら走査点を別々に、または同時に用いて観測や測定を行うことが可能となる。
【００６８】
なお、以上においては、図１に示される実施の形態１によるプローブについてのみその製造方法を説明したが、探針１１近傍へと光を導く光導波路が先鋭化された探針１１に沿い半導体製造プロセスを応用して形成され得る点はもとより、従来と同様の原子間力顕微鏡観察を行うことのできるカンチレバー構造を維持している点や、２つのプローブ走査点が同一のモジュールに具備されかつそれらがほぼ同一の位置において実現される点は、他の各実施の形態に共通する特徴であり、どれも同様の作用効果を奏することができる。
【００６９】
また、上述においては、Ｓｉ ＯｘとしてＳｉ Ｏ２ を採用した態様につき説明したが、他のシリコン系物質を適用できることは勿論である。
【００７０】
この他にも、上記実施の形態においては種々の手段を限定的に説明したが、当業者の設計可能な範囲にて適宜改変することも可能である。
【００７１】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明によれば、光反射特性を有する金属膜により一方及び他方の界面が被覆された光伝送層が、光導波路として、導入された光を探針部先端部へと効率良く導き、探針部先端近傍において光の入出力が可能となる。
【００７２】
また、本発明によれば、カンチレバー部の一主面及び探針部に沿って延在する光伝送層が、その一方及び他方の界面を光反射特性を有する金属膜によって被覆され、しかも探針部の先端近傍においては光伝送層が外部露出されるので、探針部側に積層された形で形成される光導波路により、導入光を探針部先端部へと効率良く導き、探針部先端近傍において光の入出力が可能となる。
【００７３】
本発明によれば、探針部の先端面を除きカンチレバー部及び探針部を被覆する光反射特性を有する金属膜と、それぞれ光伝送特性を有するカンチレバー及び探針部とによって形成される光導波路が、当該カンチレバー部及び探針部を通じて導入光を探針部先端部へと効率良く導き、探針部先端近傍において光の入出力を可能とする。
【００７４】
さらに、本発明によれば、探針部を被覆する光反射特性を有する第１の金属膜と、第１の金属膜に積層された光伝送層と、探針部の先端近傍において光伝送層を外部露出させつつ光伝送層及びカンチレバー部を被覆する光反射特性を有する第２の金属膜と、光伝送特性を有するカンチレバー部とによって光導波路が形成され、導入光をカンチレバー部を介して探針部先端部へと効率良く導き、探針部先端近傍において光の入出力を可能とする。さらに第１の金属膜は試料表面の電位測定のための電極として機能することが可能となり、試料に光りを照射し、試料表面を励起した状態で、同時に電位測定をすることも可能となる。
【００７５】
また、本発明によれば、探針部近傍へと光を導く上記光導波路が、先鋭化された探針形状に沿い半導体製造プロセスを応用して形成され得る。
【００７６】
かくして本発明によれば、形成される近接場光学測定用の微小開口部の均一性を良好とし、しかも原子間力顕微鏡観察等に用いた場合にも高い分解能を得ることのできる走査型プローブ顕微鏡のプローブ及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による走査型プローブの平面及び長手断面構造の概略を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２による走査型プローブの平面及び長手断面構造の概略を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態３による走査型プローブの平面及び長手断面構造の概略を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態４による走査型プローブの背面及び長手断面構造の概略を示す図である。
【図５】図４のプローブの斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態による走査型プローブを１つの支持台に複数設けた構成を示す概略図である。
【図７】図１のプローブの主要な製造工程のうち最初の４工程を説明するための当該プローブの断面図である。
【図８】図１のプローブの主要な製造工程のうち次の４工程を説明するための当該プローブの断面図である。
【図９】図１のプローブの主要な製造工程のうちさらに続く４工程を説明するための当該プローブの断面図である。
【図１０】図１のプローブの主要な製造工程のうち最後の４工程を説明するための当該プローブの断面図である。
【図１１】従来例によるプローブの構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０ カンチレバー部
１１ 探針
１２ 固定端部
１ｅ 先鋭先端
２０ 支持台
３０ 光伝送層（膜）
４０ 金属薄膜
４１ 第１の金属薄膜
４２ 第２の金属薄膜
３１ 背面光伝送層
３２ 探針部延在光伝送層
１ シリコン基板
１Ｍ シリコン酸化膜
１Ｍ０ マスク
１Ｒ フォトレジスト
１Ｒ０ レジストマスク
１１０ シリコン突起
１Ｘ シリコン酸化膜
４０１，４０２ 金属薄膜
４Ｒ，４Ｒ´ レジスト
４０２´ 露出被覆膜部
３０´ 露出光伝送膜部
Claims (3)
- 走査型プローブ顕微鏡に用いられる走査型プローブであって、
自由端部及び固定端部を有する可撓性カンチレバー部と、
前記自由端部に立設された探針と、
を備え、
前記探針は、表面が金属膜で被覆され突出した先端先鋭部と、
該先端先鋭部の近傍において外部に露出する光伝送層と、
を有することを特徴とする走査型プローブ。 - 走査型プローブ顕微鏡に用いられる走査型プローブの製造方法であって、
カンチレバー部に先端先鋭化された探針を形成する探針形成工程と、
前記探針形状に従って、光反射特性を有する金属膜により一方及び他方の界面が被覆され、前記探針の突出した先端先鋭部近傍において外部に露出する光伝送層を形成する光導波路形成工程と、
を有することを特徴とする走査型プローブの製造方法。 - 請求項１記載の走査型プローブを備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
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